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linux下抓包实现原理  

2012-09-23 00:39:33|  分类: Linux内核 |  标签: |举报 |字号 订阅

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一、tcpdump
对于本机中进程的系统行为调用跟踪,strace是一个很好的工具,而在网络问题的调试中,tcpdump应该说是一个必不可少的工具,和大部分linux下优秀工具一样,它的特点就是简单而强大。
默认情况下,tcpdump不会抓取本机内部通讯的报文。根据网络协议栈的规定,对于报文,即使是目的地是本机,也需要经过本机的网络协议层,所以本机通讯肯定是通过API进入了内核,并且完成了路由选择。
二、linux下抓包原理
linux下的抓包是通过注册一种虚拟的底层网络协议来完成对网络报文(准确的说是网络设备)消息的处理权。当网卡接收到一个网络报文之后,它会遍历系统中所有已经注册的网络协议,例如以太网协议、x25协议处理模块来尝试进行报文的解析处理,这一点和一些文件系统的挂载相似,就是让系统中所有的已经注册的文件系统来进行尝试挂载,如果哪一个认为自己可以处理,那么就完成挂载。
当抓包模块把自己伪装成一个网络协议的时候,系统在收到报文的时候就会给这个伪协议一次机会,让它来对网卡收到的报文进行一次处理,此时该模块就会趁机对报文进行窥探,也就是把这个报文完完整整的复制一份,假装是自己接收到的报文,汇报给抓包模块。
先看一下网络层对于接收到的报文的处理方法
static int process_backlog(struct net_device *backlog_dev, int *budget)---netif_receive_skb
    list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_all, list) {
        if (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev) {
            if (pt_prev)
                ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
            pt_prev = ptype;
        }
    }
三、协议族的注册
对于这种协议,也只有在需要的时候才注册,因为它毕竟增加了系统报文的处理速度并且会消耗大量的系统skb。当抓包开始的时候,它会创建一个对应的网络套接口,这种套接口的类型就是af_packet类型。相关实现为
linux-2.6.21\net\packet\af_packet.c
static int packet_create(struct socket *sock, int protocol)
    sk->sk_family = PF_PACKET;
    po->num = proto;
……
    po->prot_hook.func = packet_rcv;
……

    if (proto) {
        po->prot_hook.type = proto;
        dev_add_pack(&po->prot_hook);这个接口会将prot_hook注册到前面看到的ptype_all队列中
        sock_hold(sk);
        po->running = 1;
    }
当一个网卡上真正有报文到来的时候,它就会调用这里注册的packet_rcv函数
……
    res = run_filter(skb, sk, snaplen);如果说filter过滤失败,说明是抓包不关心的报文,直接放行,返回值非零表示不关心。
    if (!res)
        goto drop_n_restore;
……
    if (skb_shared(skb)) {
        struct sk_buff *nskb = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);自己复制一份
        if (nskb == NULL)
            goto drop_n_acct;

        if (skb_head != skb->data) {
            skb->data = skb_head;
            skb->len = skb_len;
        }
        kfree_skb(skb);
        skb = nskb;
    }
四、filter的执行
run_filter--->>sk_run_filter
……
/*
     * Process array of filter instructions.
     */
    for (pc = 0; pc < flen; pc++) {
        fentry = &filter[pc];

        switch (fentry->code) {
        case BPF_ALU|BPF_ADD|BPF_X:
            A += X;
            continue;
        case BPF_ALU|BPF_ADD|BPF_K:
            A += fentry->k;
            continue;
……
        /*
         * Handle ancillary data, which are impossible
         * (or very difficult) to get parsing packet contents.
         */
        switch (k-SKF_AD_OFF) {
        case SKF_AD_PROTOCOL:
            A = ntohs(skb->protocol);
            continue;
        case SKF_AD_PKTTYPE:
            A = skb->pkt_type;
            continue;
        case SKF_AD_IFINDEX:
            A = skb->dev->ifindex;
            continue;
        default:
            return 0;
        }
这个函数是执行了一个自己定义的指令集和。用户通过sockopt来注册这段指令,内核在内核态执行这些指令,完成匹配,其中包含了报文某些字段的加载,条件跳转、加减乘除以及返回等指令。当转包套接口接收到报文之后,对这个报文执行这段虚拟程序,直到遇到ret指令作为自己的返回值。通过tcpdump -d 可以显示出编译之后生成的指令,下面是一个测试输出
[root@Harry bash-4.1]# tcpdump -d host 1.2.3.4
tcpdump: WARNING: eth0: no IPv4 address assigned
(000) ldh      [12]
(001) jeq      #0x800           jt 2    jf 6
(002) ld       [26]  加载接收到报文的第26个字节开始的一个int类型
(003) jeq      #0x1020304       jt 12    jf 4 如果和0x1234相等,跳转到12跳指令,不等继续第四条指令
(004) ld       [30]
(005) jeq      #0x1020304       jt 12    jf 13
(006) jeq      #0x806           jt 8    jf 7
(007) jeq      #0x8035          jt 8    jf 13
(008) ld       [28]
(009) jeq      #0x1020304       jt 12    jf 10
(010) ld       [38]
(011) jeq      #0x1020304       jt 12    jf 13
(012) ret      #65535
(013) ret      #0
[root@Harry bash-4.1]#
五、tcpdump的处理
对于tcpdump来说,命令行输入中除了选项之外的参数都将作为一个语法文件来处理。libcap中定义了自己的词法分析器和语法分析器。其词法分析器为scanner.l,语法分析文件为scanner.l,可见该语言的定义使用了通用的bison和flex的帮助。但是如果使用了这些工具,就意味着一个配置文件就可以写的很复杂,例如syslog-ng配置、ld连接配置脚本、bash脚本等各种语法。
这个语法文件如果感兴趣可以看看说明文档即可。
其中pcap库中没有对网卡的配置,而且tcpdump的命令处理对于-i是覆盖的,所以一次tcpdump只能侦听一个端口。如果命令行没有指定网络设备,pcap会枚举系统中所有的网络设备,然后取出第一个设备(这个顺序在不通的系统有不同排列顺序,看一下tcpdump的输出即可确定是在那个端口)
六、本地报文处理
    if (res.type == RTN_LOCAL) {
        if (!fl.fl4_src)
            fl.fl4_src = fl.fl4_dst;
        if (dev_out)
            dev_put(dev_out);
        dev_out = &loopback_dev;
        dev_hold(dev_out);
        fl.oif = dev_out->ifindex;
        if (res.fi)
            fib_info_put(res.fi);
        res.fi = NULL;
        flags |= RTCF_LOCAL;
        goto make_route;
    }
struct net_device loopback_dev = {
    .name             = "lo",
    .get_stats        = &get_stats,
    .priv            = &loopback_stats,
……
}
static int loopback_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev)
{
    struct pcpu_lstats *lb_stats;

    skb_orphan(skb);
……
    netif_rx(skb);发送的报文返回网络协议栈,经过packet的过滤

    return 0;
}
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