libpcap原理

麹飞航

2023-12-01

LibPcap通过pcap_open_live()系统调用socket()创建一个socket.而系统调用socket()则是通过sys_socketcall()这个入口找到sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->rcu_dereference(net_families[family])根据协议簇执行create。LibPcap选用的协议簇PF_PACKET通过af_packet.c中的packet_init()调用snapgear/linux-2.6.x/net/socket.c中的sock_register()被初始化注册进net_families[]，其.create=packet create。因此LibPcap创建socket最终调用了packet_create()，在packet_create()中创建了sk并有sock->ops = &packet_ops;po->prot_hook.func=packet_rcv;而static const struct proto_ops packet_ops.recvmsg=packet_recvmsg，这便是用户程序通过LibPcap从socket取得数据包的入口。因此用户程序通过LibPcap获取数据包的整个过程可以简易描述为：由packet_rcv()接收来自底层的包（具体什么位置，我没有搞明白），并分配出一段buffer，在sk_receive_queue资源不足以再容纳下一段数据时，直接将数据丢弃kfree_skb()，并记录tp_drops（即我们通过pcap_stats()得到的ps_drop）；而用户程序则是不时调用packet_recvmsg()从队列中一次性获取数据，并最后释放资源skb_free_datagram()。

　　其实到这里，我还未交代主题，那么导致LibPcap丢包的原因在哪里呢？了解了LibPcap捕获数据包的过程再来查找就没那么茫然了，debugging发现packet_recvmsg()的执行频度远小于packet_rcv()，所以在packet_rcv()接收数据并充盈sk_rmem_alloc后，packet_recvmsg()并不能及时将其清空，在这个时间差中只能丢包了。那么为什么packet_recvmsg()执行的频度不够呢？这可能是更底层的问题，限于能力，我在此无法给出解释。

函数 pcap_open_live() 的调用形式是 pcap_t * pcap_open_live(const char *device, int snaplen, int promisc, int to_ms, char *ebuf)，其中如果 device 为 NULL 或"any"，则对所有接口捕获，snaplen 代表用户期望的捕获数据包最大长度，promisc 代表设置接口为混杂模式（捕获所有到达接口的数据包，但只有在设备给定的情况下有意义），to_ms 代表函数超时返回的时间。本函数的代码比较简单，其执行步骤如下：

为结构 pcap_t 分配空间并根据函数入参对其部分属性进行初试化。
分别利用函数 live_open_new() 或 live_open_old() 尝试创建 PF_PACKET 方式或 SOCK_PACKET 方式的 socket，注意函数名中一个为"new"，另一个为"old"。
根据 socket 的方式，设置捕获句柄的读缓冲区长度，并分配空间。
为捕获句柄 pcap_t 设置 linux 系统下的特定函数，其中最重要的是读数据包函数和设置过滤器函数。（注意到这种从抽象模式到具体模式的设计思想在 linux 源代码中也多次出现，如 VFS 文件系统）
handle->read_op = pcap_read_linux； handle->setfilter_op = pcap_setfilter_linux；

下面我们依次分析 2.2 和 2.0 内核版本下的 socket 创建函数。

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)；
}
}

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 */ 
};

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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);
}

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