基于Linux平台的libpcap源代码分析b

static int
live_open_new(pcap_t *handle, const char *device, int promisc,
int to_ms, char *ebuf)
{
/* 如果设备给定,则打开一个 RAW 类型的套接字,否则,打开 DGRAM 类型的套接字 */
sock_fd = device ?
socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL))
: socket(PF_PACKET, SOCK_DGRAM, htons(ETH_P_ALL));

/* 取得回路设备接口的索引 */
handle->md.lo_ifindex = iface_get_id(sock_fd, "lo", ebuf);

/* 如果设备给定，但接口类型未知或是某些必须工作在加工模式下的特定类型，则使用加工模式 */
if (device) {
/* 取得接口的硬件类型 */
arptype = iface_get_arptype(sock_fd, device, ebuf);

/* linux 使用 ARPHRD_xxx 标识接口的硬件类型，而 libpcap 使用DLT_xxx
来标识。本函数是对上述二者的做映射变换，设置句柄的链路层类型为
DLT_xxx，并设置句柄的偏移量为合适的值，使其与链路层头部之和为 4 的倍数，目的是边界对齐 */
map_arphrd_to_dlt(handle, arptype, 1);

/* 如果接口是前面谈到的不支持链路层头部的类型，则退而求其次，使用 SOCK_DGRAM 模式 */
if (handle->linktype == xxx)
{
close(sock_fd)；
sock_fd = socket(PF_PACKET, SOCK_DGRAM, htons(ETH_P_ALL));
}

/* 获得给定的设备名的索引 */
device_id = iface_get_id(sock_fd, device, ebuf);

/* 把套接字和给定的设备绑定，意味着只从给定的设备上捕获数据包 */
iface_bind(sock_fd, device_id, ebuf)；

} else { /* 现在是加工模式 */
handle->md.cooked = 1;
/* 数据包链路层头部为结构 sockaddr_ll， SLL 大概是结构名称的简写形式 */
handle->linktype = DLT_LINUX_SLL;
device_id = -1;
}

/* 设置给定设备为混杂模式 */
if (device && promisc)
{
memset(&mr, 0, sizeof(mr));
mr.mr_ifindex = device_id;
mr.mr_type = PACKET_MR_PROMISC;
setsockopt(sock_fd, SOL_PACKET, PACKET_ADD_MEMBERSHIP,
&mr, sizeof(mr))；
}

/* 最后把创建的 socket 保存在句柄 pcap_t 中 */
handle->fd = sock_fd;
}

/* 2.0 内核下函数要简单的多，因为只有唯一的一种 socket 方式 */
static int
live_open_old(pcap_t *handle, const char *device, int promisc,
int to_ms, char *ebuf)
{
/* 首先创建一个SOCK_PACKET类型的 socket */
handle->fd = socket(PF_INET, SOCK_PACKET, htons(ETH_P_ALL));

/* 2.0 内核下，不支持捕获所有接口，设备必须给定 */
if (!device) {
strncpy(ebuf, "pcap_open_live: The /"any/" device isn't supported on 2.0[.x]-kernel systems", PCAP_ERRBUF_SIZE);
break;
}

/* 把 socket 和给定的设备绑定 */
iface_bind_old(handle->fd, device, ebuf)；

/*以下的处理和 2.2 版本下的相似，有所区别的是如果接口链路层类型未知，则 libpcap 直接退出 */

arptype = iface_get_arptype(handle->fd, device, ebuf);
map_arphrd_to_dlt(handle, arptype, 0);
if (handle->linktype == -1) {
snprintf(ebuf, PCAP_ERRBUF_SIZE, "unknown arptype %d", arptype);
break;
}

/* 设置给定设备为混杂模式 */
if (promisc) {
memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
strncpy(ifr.ifr_name, device, sizeof(ifr.ifr_name));
ioctl(handle->fd, SIOCGIFFLAGS, &ifr)；
ifr.ifr_flags |= IFF_PROMISC;
ioctl(handle->fd, SIOCSIFFLAGS, &ifr)；
}
}

比较上面两个函数的代码，还有两个细节上的区别。首先是 socket 与接口绑定所使用的结构：老式的绑定使用了结构 sockaddr，而新式的则使用了 2.2 内核中定义的通用链路头部层结构 sockaddr_ll。

iface_bind_old(int fd, const char *device, char *ebuf)
{
struct sockaddr saddr;
memset(&saddr, 0, sizeof(saddr));
strncpy(saddr.sa_data, device, sizeof(saddr.sa_data));
bind(fd, &saddr, sizeof(saddr))；
}

iface_bind(int fd, int ifindex, char *ebuf)
{
struct sockaddr_ll sll;
memset(&sll, 0, sizeof(sll));
sll.sll_family = AF_PACKET;
sll.sll_ifindex = ifindex;
sll.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
bind(fd, (struct sockaddr *) &sll, sizeof(sll)；
}

第二个是在 2.2 版本中设置设备为混杂模式时，使用了函数 setsockopt()，以及新的标志 PACKET_ADD_MEMBERSHIP 和结构 packet_mreq。我估计这种方式主要是希望提供一个统一的调用接口，以代替传统的（混乱的）ioctl 调用。

struct packet_mreq
{
int mr_ifindex; /* 接口索引号 */
unsigned short mr_type; /* 要执行的操作(号) */
unsigned short mr_alen; /* 地址长度 */
unsigned char mr_address[8]; /* 物理层地址 */
};

用户应用程序接口
Libpcap 提供的用户程序接口比较简单，通过反复调用函数pcap_next()[pcap.c] 则可获得捕获到的数据包。下面是一些使用到的数据结构：

/* 单个数据包结构，包含数据包元信息和数据信息 */
struct singleton [pcap.c]
{
struct pcap_pkthdr hdr; /* libpcap 自定义数据包头部 */
const u_char * pkt; /* 指向捕获到的网络数据 */
};

/* 自定义头部在把数据包保存到文件中也被使用 */
struct pcap_pkthdr
{
struct timeval ts; /* 捕获时间戳 */
bpf_u_int32 caplen; /* 捕获到数据包的长度 */
bpf_u_int32 len; /* 数据包的真正长度 */
}

/* 函数 pcap_next() 实际上是对函数 pcap_dispatch()[pcap.c] 的一个包装 */
const u_char * pcap_next(pcap_t *p, struct pcap_pkthdr *h)
{
struct singleton s;
s.hdr = h;

/*入参"1"代表收到1个数据包就返回；回调函数 pcap_oneshot() 是对结构 singleton 的属性赋值 */
if (pcap_dispatch(p, 1, pcap_oneshot, (u_char*)&s) <= 0)
return (0);
return (s.pkt); /* 返回数据包缓冲区的指针 */
}

pcap_dispatch() 简单的调用捕获句柄 pcap_t 中定义的特定操作系统的读数据函数：return p->read_op(p, cnt, callback, user)。在 linux 系统下，对应的读函数为 pcap_read_linux()（在创建捕获句柄时已定义 [pcap-linux.c]），而pcap_read_linux() 则是直接调用 pcap_read_packet()([pcap-linux.c])。

pcap_read_packet() 的中心任务是利用了 recvfrom() 从已创建的 socket 上读数据包数据，但是考虑到 socket 可能为前面讨论到的三种方式中的某一种，因此对数据缓冲区的结构有相应的处理，主要表现在加工模式下对伪链路层头部的合成。具体代码分析如下：

static int
pcap_read_packet(pcap_t *handle, pcap_handler callback, u_char *userdata)
{
/* 数据包缓冲区指针 */
u_char * bp;

/* bp 与捕获句柄 pcap_t 中 handle->buffer
之间的偏移量，其目的是为在加工模式捕获情况下，为合成的伪数据链路层头部留出空间 */
int offset;

/* PACKET_SOCKET 方式下，recvfrom() 返回 scokaddr_ll 类型，而在SOCK_PACKET 方式下，
返回 sockaddr 类型 */
#ifdef HAVE_PF_PACKET_SOCKETS
struct sockaddr_ll from;
struct sll_header * hdrp;
#else
struct sockaddr from;
#endif

socklen_t fromlen;
int packet_len, caplen;

/* libpcap 自定义的头部 */
struct pcap_pkthdr pcap_header;

#ifdef HAVE_PF_PACKET_SOCKETS
/* 如果是加工模式，则为合成的链路层头部留出空间 */
if (handle->md.cooked)
offset = SLL_HDR_LEN;

/* 其它两中方式下，链路层头部不做修改的被返回，不需要留空间 */
else
offset = 0;
#else
offset = 0;
#endif

bp = handle->buffer + handle->offset;

/* 从内核中接收一个数据包，注意函数入参中对 bp 的位置进行修正 */
packet_len = recvfrom( handle->fd, bp + offset,
handle->bufsize - offset, MSG_TRUNC,
(struct sockaddr *) &from, &fromlen);

#ifdef HAVE_PF_PACKET_SOCKETS

/* 如果是回路设备,则只捕获接收的数据包，而拒绝发送的数据包。显然，我们只能在 PF_PACKET
方式下这样做,因为 SOCK_PACKET 方式下返回的链路层地址类型为
sockaddr_pkt，缺少了判断数据包类型的信息。*/
if (!handle->md.sock_packet &&
from.sll_ifindex == handle->md.lo_ifindex &&
from.sll_pkttype == PACKET_OUTGOING)
return 0;
#endif

#ifdef HAVE_PF_PACKET_SOCKETS
/* 如果是加工模式，则合成伪链路层头部 */
if (handle->md.cooked) {
/* 首先修正捕包数据的长度，加上链路层头部的长度 */
packet_len += SLL_HDR_LEN;
hdrp = (struct sll_header *)bp;

/* 以下的代码分别对伪链路层头部的数据赋值 */
hdrp->sll_pkttype = xxx;
hdrp->sll_hatype = htons(from.sll_hatype);
hdrp->sll_halen = htons(from.sll_halen);
memcpy(hdrp->sll_addr, from.sll_addr,
(from.sll_halen > SLL_ADDRLEN) ?
SLL_ADDRLEN : from.sll_halen);
hdrp->sll_protocol = from.sll_protocol;
}
#endif

/* 修正捕获的数据包的长度，根据前面的讨论，SOCK_PACKET 方式下长度可能是不准确的 */
caplen = packet_len;
if (caplen > handle->snapshot)
caplen = handle->snapshot;

/* 如果没有使用内核级的包过滤,则在用户空间进行过滤*/
if (!handle->md.use_bpf && handle->fcode.bf_insns) {
if (bpf_filter(handle->fcode.bf_insns, bp,
packet_len, caplen) == 0)
{
/* 没有通过过滤，数据包被丢弃 */
return 0;
}
}

/* 填充 libpcap 自定义数据包头部数据：捕获时间,捕获的长度,真实的长度 */
ioctl(handle->fd, SIOCGSTAMP, &pcap_header.ts)；
pcap_header.caplen = caplen;
pcap_header.len = packet_len;

/* 累加捕获数据包数目，注意到在不同内核/捕获方式情况下数目可能不准确 */
handle->md.stat.ps_recv++;

/* 调用用户定义的回调函数 */
callback(userdata, &pcap_header, bp);
}

数据包过滤机制
大量的网络监控程序目的不同，期望的数据包类型也不同，但绝大多数情况都都只需要所有数据包的一（小）部分。例如：对邮件系统进行监控可能只需要端口号为 25（smtp）和 110（pop3) 的 TCP 数据包，对 DNS 系统进行监控就只需要端口号为 53 的 UDP 数 据包。包过滤机制的引入就是为了解决上述问题，用户程序只需简单的设置一系列过滤条件，最终便能获得满足条件的数据包。包过滤操作可以在用户空间执行，也 可以在内核空间执行，但必须注意到数据包从内核空间拷贝到用户空间的开销很大，所以如果能在内核空间进行过滤，会极大的提高捕获的效率。内核过滤的优势在 低速网络下表现不明显，但在高速网络下是非常突出的。在理论研究和实际应用中，包捕获和包过滤从语意上并没有严格的区分，关键在于认识到捕获数据包必然有 过滤操作。基本上可以认为，包过滤机制在包捕获机制中占中心地位。

包过滤机制实际上是针对数据包的布尔值操作函数，如果函数最终返回 true，则通过过滤，反之则被丢弃。形式上包过滤由一个或多个谓词判断的并操作（AND）和或操作（OR）构成，每一个谓词判断基本上对应了数据包的协议类型或某个特定值,例如：只需要 TCP 类型且端口为 110 的数据包或 ARP 类型的数据包。包过滤机制在具体的实现上与数据包的协议类型并无多少关系，它只是把数据包简单的看成一个字节数组，而谓词判断会根据具体的协议映射到数组特定位置的值。如判断ARP类型数据包，只需要判断数组中第 13、14 个字节（以太头中的数据包类型）是否为 0X0806。从理论研究的意思上看，包过滤机制是一个数学问题，或者说是一个算法问题，其中心任务是如何使用最少的判断操作、最少的时间完成过滤处理，提高过滤效率。