PACP学习笔记一：使用 PCAP 编程

pcap代码流程

1. 我们首先确定要嗅探哪个接口。在 Linux 中这可能是 eth0，在 BSD 中可能是 xl1，等等。我们可以在字符串中定义这个设备，或者我们可以让 pcap 为我们提供一个接口的名称来完成这项工作。
2. 初始化pcap。这其实是实际告诉pcap我们正在嗅探什么设备。如果我们愿意嗅探多个设备。我们如何区分它们呢？使用文件句柄。就行打开一个文件进行读取和写入一样，我们必须将我们的嗅探命名为“会话”，以便我们可以将它与其他此类会话区分开来。
3. 如果我们只想嗅探特定流量（例如：仅 TCP/IP 数据包，仅发送到端口 23 的数据包等），我们必须创建一个规则集，“编译”并应用它。这是一个三个阶段的过程，所有这些都是密切相关的。规则集保存在一个字符串中，并转换为 pcap 可以读取的格式（因此对其进行编译）。编译实际上只是通过在我们的程序中调用一个函数来完成的；它不涉及使用外部应用程序。然后我们告诉 pcap 将它应用于我们希望它过滤的任何会话。
4. 最后，我们告诉 pcap 进入它的主要执行循环。在这种状态下，pcap 会一直等待，直到它接收到我们希望它接收到的任何数据包。每次它收到一个新数据包时，它都会调用我们已经定义的另一个函数。它调用的函数可以做任何我们想做的事情；它可以剖析数据包并将其打印给用户，它可以将其保存在一个文件中，或者它什么也不做。
5. 在满足我们的嗅探需求后，我们关闭会话并完成。

这实际上是一个非常简单的过程。总共五个步骤，其中一个是可选的（步骤 3，如果您想知道的话）。让我们看一下每个步骤以及如何实现它们。

设置设备

这非常简单。有两种技术可以设置我们希望嗅探的设备。
首先是我们可以简单地让用户告诉我们。考虑以下程序：

#include <stdio.h>
#include <pcap.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    
	char *dev = argv[1];

	printf("Device: %s\n", dev);
	return(0);
}

用户通过将设备名称作为第一个参数传递给程序来指定设备。现在字符串 dev 以 pcap 可以理解的格式保存我们将嗅探的接口名称（当然，假设用户给了我们一个真实的接口）。

另一种技术同样简单。看看这个程序：

#include <stdio.h>
#include <pcap.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    
	char *dev, errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];

	dev = pcap_lookupdev(errbuf);
	if (dev == NULL) {
    
		fprintf(stderr, "Couldn't find default device: %s\n", errbuf);
		return(2);
	}
	printf("Device: %s\n", dev);
	return(0);
}

在这种情况下，pcap 只是自行设置设备。 “但是等等, “errbuf 字符串是怎么回事？”，大多数 pcap 命令允许我们将字符串作为参数传递给它们。这个字符串的目的是什么？如果命令失败，它将使用错误描述填充字符串。在这种情况下，如果 pcap_lookupdev(3PCAP) 失败，它将在 errbuf 中存储错误消息。这就是我们设置设备的方式。

打开设备进行嗅探

创建嗅探会话的任务非常简单。为此，我们使用 pcap_open_live(3PCAP)。这个函数的原型如下：

pcap_t *pcap_open_live(char *device, int snaplen, int promisc, int to_ms,
    char *ebuf)

参数字段	说明
第一个参数	第一个参数是我们在上一节中指定的设备。
第二个参数	snaplen 是一个整数，它定义了 pcap 捕获的最大字节数。
第三个参数	promisc，当设置为 true 时，使接口进入混杂模式（然而，即使它设置为 false，在特定情况下，接口也可能处于混杂模式，无论如何）。
第四个参数	to_ms 是以毫秒为单位的读取超时时间（值 0 表示没有超时；至少在某些平台上，这意味着您可能要等到足够数量的数据包到达才能看到任何数据包，因此您应该使用非零暂停）
第五个参数	ebuf 是一个字符串，我们可以在其中存储任何错误消息（就像我们在上面使用 errbuf 所做的那样）。
返回值	该函数返回我们的会话处理程序

为了演示，请考虑以下代码片段：

#include <pcap.h>
...
pcap_t *handle;

handle = pcap_open_live(dev, BUFSIZ, 1, 1000, errbuf);
if (handle == NULL) {
    
	fprintf(stderr, "Couldn't open device %s: %s\n", dev, errbuf);
	return(2);
}

此代码片段打开存储在字符串 dev 中的设备，告诉它读取在 BUFSIZ 中指定的许多字节（通常通过 pcap.h 在 /usr/include/stdio.h 中定义）。我们告诉它让设备进入混杂模式，嗅探直到发生错误，如果有错误，将其存储在字符串 errbuf 中；它使用该字符串来打印错误消息。

关于混杂与非混杂嗅探的说明：这两种技术在风格上非常不同。在标准的非混杂嗅探中，主机仅嗅探与其直接相关的流量。嗅探器只会获取到、来自或路由通过主机的流量。另一方面，混杂模式会嗅探线路上的所有流量。在非交换环境中，这可能是所有网络流量。这样做的明显优势是它提供了更多用于嗅探的数据包，这可能会或可能不会有帮助，具体取决于您嗅探网络的原因。然而，也有倒退。混杂模式嗅探是可检测的；一个主机可以通过测试来确定另一个主机是否在进行混杂嗅探。其次，它仅适用于非交换环境（例如集线器，或被 ARP 泛洪的交换机）。第三，在高流量网络上，主机可能会占用大量系统资源。

并非所有设备都在您读取的数据包中提供相同类型的链路层标头。以太网设备和一些非以太网设备可能提供以太网标头，但其他设备类型，例如 BSD 和 OS X 中的环回设备、PPP 接口和在监控模式下捕获时的 Wi-Fi 接口，则不提供。

您需要确定设备提供的链路层标头的类型，并在处理数据包内容时使用该类型。 pcap_datalink(3PCAP) 例程返回一个值，指示链路层标头的类型；请参阅链路层标头类型值列表。它返回的值是该列表中的 DLT_ 值。

如果你的程序不支持设备提供的链路层头类型，就不得不放弃；这将通过代码完成，例如:

if (pcap_datalink(handle) != DLT_EN10MB) {
    
	fprintf(stderr, "Device %s doesn't provide Ethernet headers - not supported\n", dev);
	return(2);
}

如果设备不提供以太网标头，则会失败。这适用于下面的代码，因为它假定以太网标头。

过滤流量

很多时候，我们的嗅探器可能只对特定流量感兴趣。例如，有时我们想要的只是嗅探端口 23 (telnet) 以搜索密码。或者我们可能想要劫持通过端口 21 (FTP) 发送的文件。也许我们只想要 DNS 流量（端口 53 UDP）。无论如何，我们很少只想盲目地嗅探所有网络流量。这是就要用到两个方法： pcap_compile(3PCAP) 和 pcap_setfilter(3PCAP)。

这个过程很简单。在我们已经调用 pcap_open_live() 并且有一个工作嗅探会话之后，我们可以应用我们的过滤器。为什么不直接使用我们自己的 if/else if 语句呢？两个原因。首先，pcap 的过滤器效率更高，因为它直接与 BPF 过滤器一起使用；我们通过让 BPF 驱动程序直接执行来消除许多步骤。其次，这要容易得多:)

BPF 伯克利包过滤器。 是在linux 平台下的一个包过滤器。使用此过滤器可以在socket编程时非常方便的实现各种过滤规则。

在应用我们的过滤器之前，我们必须“编译”它。过滤器表达式保存在常规字符串（char 数组）中。语法在 pcap-filter(7) 中有很好的记录；我让你自己阅读。但是，我们将使用简单的测试表达式，所以也许您足够敏锐，可以从我的示例中弄清楚。

为了编译程序，我们调用 pcap_compile()。原型将其定义为：

int pcap_compile(pcap_t *p, struct bpf_program *fp, char *str, int optimize,
    bpf_u_int32 netmask)

参数字段说明	描述
第一个参数	第一个参数是我们的会话句柄（pcap_t *handle 在我们之前的例子中）。
第二个参数	我们将存储 过滤器编译版本的位置引用。
第三个参数	表达式本身；格式：常规字符串
第四个参数	是一个整数，它决定表达式是否应该“优化”（0 为假，1 为真——标准内容）。
第五个参数	我们必须指定过滤器应用到的网络的网络掩码。
返回值	失败返回-1，其他值都是成功

表达式编译完成后，就可以应用它了。接着是 pcap_setfilter()。按照我们解释 pcap 的格式，我们来看看原型：

int pcap_setfilter(pcap_t *p, struct bpf_program *fp)

参数说明	描述
第一个参数	我们的会话处理程序
第二个参数	是对表达式的编译版本的引用（可能与 pcap_compile() 的第二个参数相同的变量）

也许另一个代码示例将有助于更好地理解：

#include <pcap.h>
...
pcap_t *handle;		/* Session handle 会话句柄 */
char dev[] = "rl0";		/* Device to sniff on 要嗅探的设备 */
char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];	/* Error string 记录错误信息的字符串 */
struct bpf_program fp;		/* The compiled filter expression 编译后的过滤表达式 */
char filter_exp[] = "port 23";	/* The filter expression 过滤表达式 */
bpf_u_int32 mask;		/* The netmask of our sniffing device 我们的嗅探设备的网络掩码 */
bpf_u_int32 net;		/* The IP of our sniffing device 我们的嗅探设备的IP */

if (pcap_lookupnet(dev, &net, &mask, errbuf) == -1) {
    
	fprintf(stderr, "Can't get netmask for device %s\n", dev);
	net = 0;
	mask = 0;
}
handle = pcap_open_live(dev, BUFSIZ, 1, 1000, errbuf);
if (handle == NULL) {
    
	fprintf(stderr, "Couldn't open device %s: %s\n", dev, errbuf);
	return(2);
}
if (pcap_compile(handle, &fp, filter_exp, 0, net) == -1) {
    
	fprintf(stderr, "Couldn't parse filter %s: %s\n", filter_exp, pcap_geterr(handle));
	return(2);
}
if (pcap_setfilter(handle, &fp) == -1) {
    
	fprintf(stderr, "Couldn't install filter %s: %s\n", filter_exp, pcap_geterr(handle));
	return(2);
}

该程序是嗅探器准备在设备rl0上以混杂模式嗅探来自或流向端口 23 的所有流量。

您可能会注意到前面的示例包含一个我们尚未讨论的函数。 pcap_lookupnet(3PCAP) 是一个函数，在给定设备名称的情况下，返回其 IPv4 网络号和相应的网络掩码（网络号是 IPv4 地址与网络掩码的与，因此它仅包含设备的网络部分地址）。这是必不可少的，因为我们需要知道网络掩码才能应用过滤器。此功能在文档末尾的其他部分中进行了描述。

根据我的经验，此过滤器不适用于所有操作系统。在我的测试环境中，我发现带有默认内核的 OpenBSD 2.9 确实支持这种类型的过滤器，但带有默认内核的 FreeBSD 4.3 不支持。

实际嗅探

至此，我们已经学会了如何定义一个设备，为嗅探做准备，并应用过滤器来判断我们应该和不应该嗅探什么。现在是时候实际捕获一些数据包了。

捕获数据包有两种主要技术。我们可以一次捕获一个数据包，也可以进入一个循环，等待 n 个数据包在完成之前被嗅探。我们将从查看如何捕获单个数据包开始，然后查看使用循环的方法。为此，我们使用 pcap_next(3PCAP)。

原型相当简单：

u_char *pcap_next(pcap_t *p, struct pcap_pkthdr *h)

参数具体说明	说明
第一个参数	session handler
第二个参数	是一个指向结构的指针，该结构包含有关数据包的一般信息，特别是它被嗅探的时间、该数据包的长度以及该特定部分的长度（例如，如果它被分段）。
返回值	返回指向此结构描述的数据包的 u_char 指针

这是使用 pcap_next() 嗅探数据包的简单演示。

#include <pcap.h>
#include <stdio.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    
	pcap_t *handle;			/* Session handle 会话句柄 */
	char *dev;			/* The device to sniff on 要嗅探设备 */
	char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];	/* Error string 记录错误的字符串 */
	struct bpf_program fp;		/* The compiled filter 编译后的过滤器 */
	char filter_exp[] = "port 23";	/* The filter expression 过滤表达式 */
	bpf_u_int32 mask;		/* Our netmask 我们的网络掩码 */
	bpf_u_int32 net;		/* Our IP 我们的IP */
	struct pcap_pkthdr header;	/* The header that pcap gives us 给我们的标头 */
	const u_char *packet;		/* The actual packet 实际数据包 */

	/* Define the device 定义设备 */
	dev = pcap_lookupdev(errbuf);
	if (dev == NULL) {
    
		fprintf(stderr, "Couldn't find default device: %s\n", errbuf);
		return(2);
	}
	/* Find the properties for the device 查找设备的属性 */
	if (pcap_lookupnet(dev, &net, &mask, errbuf) == -1) {
    
		fprintf(stderr, "Couldn't get netmask for device %s: %s\n", dev, errbuf);
		net = 0;
		mask = 0;
	}
	/* Open the session in promiscuous mode 以混杂模式打开会话 */
	handle = pcap_open_live(dev, BUFSIZ, 1, 1000, errbuf);
	if (handle == NULL) {
    
		fprintf(stderr, "Couldn't open device %s: %s\n", dev, errbuf);
		return(2);
	}
	/* Compile and apply the filter 编译并应用过滤器 */
	if (pcap_compile(handle, &fp, filter_exp, 0, net) == -1) {
    
		fprintf(stderr, "Couldn't parse filter %s: %s\n", filter_exp, pcap_geterr(handle));
		return(2);
	}
	if (pcap_setfilter(handle, &fp) == -1) {
    
		fprintf(stderr, "Couldn't install filter %s: %s\n", filter_exp, pcap_geterr(handle));
		return(2);
	}
	/* Grab a packet 抓取到一个数据包 */
	packet = pcap_next(handle, &header);
	/* Print its length */
	printf("Jacked a packet with length of [%d]\n", header.len);
	/* And close the session 关闭一个会话 */
	pcap_close(handle);
	return(0);
}

此应用程序通过将 pcap_lookupdev() 返回的任何设备置于混杂模式来嗅探它。它找到第一个通过端口 23 (telnet) 的数据包，并告诉用户数据包的大小（以字节为单位）。同样，这个程序包括一个新的调用，pcap_close(3PCAP)，我们稍后会讨论它（尽管它确实很容易解释）。

我们可以使用的另一种技术更复杂，而且可能更有用。很少有嗅探器（如果有的话）实际使用 pcap_next()。他们通常使用 pcap_loop(3PCAP) 或 pcap_dispatch(3PCAP)（然后它们自己使用 pcap_loop()）。要了解这两个函数的使用，就必须了解回调函数的思想。

回调函数并不是什么新鲜事物，在许多 API 中都很常见。回调函数背后的概念相当简单。假设我有一个程序正在等待某种事件。出于本示例的目的，假设我的程序希望用户按下键盘上的某个键。每次他们按下一个键时，我都想调用一个函数，然后该函数将确定要执行的操作。我正在使用的函数是一个回调函数。每次用户按键时，我的程序都会调用回调函数。回调在 pcap 中使用，但不是在用户按键时调用，而是在 pcap 嗅探数据包时调用。可以用来定义其回调的两个函数是 pcap_loop() 和 pcap_dispatch()，它们在回调的用法上非常相似。每次嗅探到满足我们过滤器要求的数据包时，它们都会调用一个回调函数（当然，如果存在任何过滤器。如果不存在，则将所有嗅探到的数据包都发送到回调。）

pcap_loop() 的原型如下：

int pcap_loop(pcap_t *p, int cnt, pcap_handler callback, u_char *user)

参数具体说明	说明
第一个参数	第一个参数是我们会话句柄
第二个参数	是一个整数，它告诉 pcap_loop() 在返回之前它应该嗅探多少数据包（负值意味着它应该嗅探直到发生错误）
第三个参数	是回调函数的名称（只是它的标识符，没有括号）
第四个参数	最后一个参数在某些应用程序中很有用，但很多时候只是简单地设置为 NULL。假设除了 pcap_loop() 发送的参数之外，我们还有自己希望发送给回调函数的参数

在提供使用 pcap_loop() 的示例之前，我们必须检查回调函数的格式。我们不能随意定义回调的原型；否则， pcap_loop() 将不知道如何使用该函数。所以我们使用这种格式作为我们回调函数的原型。 — 这段来做英文翻译

首先，您会注意到该函数具有 void 返回类型。这是合乎逻辑的，因为 pcap_loop() 无论如何都不知道如何处理返回值。

void got_packet(u_char *args, const struct pcap_pkthdr *header, const u_char *packet);

参数具体说明	说明
第一个参数	第一个参数对应于 pcap_loop() 的最后一个参数。每次调用函数时，作为 pcap_loop() 的最后一个参数传递的任何值都会传递给回调函数的第一个参数。
第二个参数	第二个参数是 pcap 标头(header)，它包含有关何时嗅探数据包、数据包大小等信息。
第三个参数	它是另一个指向 u_char 的指针，它指向包含整个数据包的数据块的第一个字节.

第二个参数类型：

struct pcap_pkthdr {
    
	struct timeval ts; /* time stamp 时间戳 */
	bpf_u_int32 caplen; /* length of portion present 当前部分的长度 */
	bpf_u_int32 len; /* length this packet (off wire) 这个数据包的长度 */
};

第三个参数是普通 pcap 新手程序员最困惑的参数，它是另一个指向 u_char 的指针，它指向包含整个数据包的数据块的第一个字节，由 pcap_loop() 嗅探。但是如何使用这个变量（在我们的原型中命名为 packet）？一个数据包包含许多属性，所以你可以想象，它实际上并不是一个字符串，而是一个结构的集合（例如，一个 TCP/IP 数据包将有一个以太网标头、一个 IP 标头、一个 TCP 标头，最后，数据包的有效载荷）。这个 u_char 指针指向这些结构的序列化版本。要使用它，我们必须进行一些有趣的类型转换。（标头：就是header）

首先，我们必须先定义实际的结构，然后才能对它们进行类型转换。以下是我用来描述以太网上的 TCP/IP 数据包的结构定义。

/* Ethernet addresses are 6 bytes */
/* 以太网地址为6个字节 */
#define ETHER_ADDR_LEN 6

/* Ethernet header */
/* 以太网 header */
struct sniff_ethernet {
    
	u_char ether_dhost[ETHER_ADDR_LEN]; /* Destination host address */
	u_char ether_shost[ETHER_ADDR_LEN]; /* Source host address */
	u_short ether_type; /* IP? ARP? RARP? etc */
};

/* IP header */
struct sniff_ip {
    
	u_char ip_vhl;		/* version << 4 | header length >> 2 */
	u_char ip_tos;		/* type of service */
	u_short ip_len;		/* total length */
	u_short ip_id;		/* identification */
	u_short ip_off;		/* fragment offset field 片段偏移字段 */
#define IP_RF 0x8000 /* reserved fragment flag 保留分段标志 */
#define IP_DF 0x4000 /* don't fragment flag 不保留分段标志 */
#define IP_MF 0x2000 /* more fragments flag 更多片段标志 */
#define IP_OFFMASK 0x1fff /* mask for fragmenting bits 分段掩码 */
	u_char ip_ttl;		/* time to live 生存时间 */
	u_char ip_p;		/* protocol 协议 */
	u_short ip_sum;		/* checksum 校验和 */
	struct in_addr ip_src,ip_dst; /* source and dest address 源地址和目标地址 */
};
#define IP_HL(ip) (((ip)->ip_vhl) & 0x0f)
#define IP_V(ip) (((ip)->ip_vhl) >> 4)

/* TCP header */
typedef u_int tcp_seq;

struct sniff_tcp {
    
	u_short th_sport;	/* source port 源端口 */
	u_short th_dport;	/* destination port 目标端口 */
	tcp_seq th_seq;		/* sequence number 序列号 */
	tcp_seq th_ack;		/* acknowledgement number 确认号 */
	u_char th_offx2;	/* data offset, rsvd 数据偏移量 */
#define TH_OFF(th) (((th)->th_offx2 & 0xf0) > 4)
	u_char th_flags;
#define TH_FIN 0x01
#define TH_SYN 0x02
#define TH_RST 0x04
#define TH_PUSH 0x08
#define TH_ACK 0x10
#define TH_URG 0x20
#define TH_ECE 0x40
#define TH_CWR 0x80
#define TH_FLAGS (TH_FIN|TH_SYN|TH_RST|TH_ACK|TH_URG|TH_ECE|TH_CWR)
	u_short th_win;		/* window 窗口 */
	u_short th_sum;		/* checksum 校验和 */
	u_short th_urp;		/* urgent pointer 紧急指针 */
};

上面的这些与 pcap 和我们神秘的 u_char 指针有什么关系呢？好吧，这些结构定义了出现在数据包数据中的标头。那么我们怎么才能把它分开呢？

我们将假设我们正在处理以太网上的 TCP/IP 数据包。同样的技术适用于任何数据包；唯一的区别是您实际使用的结构类型。因此，让我们从定义解构数据包数据所需的变量和编译时定义开始。

/* ethernet headers are always exactly 14 bytes */
#define SIZE_ETHERNET 14

const struct sniff_ethernet *ethernet; /* The ethernet header 以太网header */
const struct sniff_ip *ip; /* The IP header */
const struct sniff_tcp *tcp; /* The TCP header */
const char *payload; /* Packet payload 报文的有效荷载 */

u_int size_ip;
u_int size_tcp;

现在，我们开始神奇的转换：

ethernet = (struct sniff_ethernet*)(packet);
ip = (struct sniff_ip*)(packet + SIZE_ETHERNET);
size_ip = IP_HL(ip)*4;
if (size_ip < 20) {
    
	printf(" * Invalid IP header length: %u bytes\n", size_ip);
	return;
}
tcp = (struct sniff_tcp*)(packet + SIZE_ETHERNET + size_ip);
size_tcp = TH_OFF(tcp)*4;
if (size_tcp < 20) {
    
	printf(" * Invalid TCP header length: %u bytes\n", size_tcp);
	return;
}
payload = (u_char *)(packet + SIZE_ETHERNET + size_ip + size_tcp);

这是如何运转的呢？考虑在内存中数据包的布局。 u_char 指针实际上只是一个包含内存地址的变量。这就是指针。它指向内存中的一个位置。

为了简单起见，我们会说这个指针设置的地址是值 X。好吧，如果我们的三个结构只是排成一行，它们中的第一个 (sniff_ethernet) 位于内存中的地址 X ，那么我们可以很容易地找到它后面的结构体的地址；该地址是 X 加上以太网报头的长度，即 14。

IP头与以太网头不同，它没有固定的长度；它的长度由 IP 标头的标头长度字段以 4 字节字数的形式给出。由于它是 4 字节字的计数，因此必须将其乘以 4 才能给出以字节为单位的大小。该标头的最小长度为 20 个字节。

TCP头也有可变长度；它的长度由 TCP 头的“数据偏移”字段给出，作为 4 字节字的数量，它的最小长度也是 20 字节。

所以让我们做一个图表：

变量	位置（以字节为单位）
sniff_ethernet	X
sniff_ip	X + SIZE_ETHERNET
sniff_tcp	X + SIZE_ETHERNET + {IP header length}
payload	X + SIZE_ETHERNET + {IP header length} + {TCP header length}

说明：

1. 第一行是以太网的位置 X
2. sniff_ip，紧跟在 sniff_ethernet 之后，在位置 X，加上以太网报头消耗的空间（14 字节，或 SIZE_ETHERNET）
3. sniff_tcp 在 sniff_ip 和 sniff_ethernet 之后，因此它位于 X 处的位置加上以太网和 IP 标头的大小（分别为 14 字节和 IP 标头长度的 4 倍）。
4. 最后，有效载荷（没有与之对应的单一结构，因为它的内容取决于 TCP 上使用的协议）位于所有这些之后。

至此，我们知道了如何设置回调函数，调用它，并找出已经嗅探到的数据包的属性。

总结

关键点就是下面这张表，根据偏移量解析下面的报文数据，数据就出来啦。

变量	位置（以字节为单位）
sniff_ethernet	X
sniff_ip	X + SIZE_ETHERNET
sniff_tcp	X + SIZE_ETHERNET + {IP header length}
payload	X + SIZE_ETHERNET + {IP header length} + {TCP header length}

参考地址：

PROGRAMMING WITH PCAP