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标题: [C/C++] 网络编程高级应用—— libpcap 详解 [打印本页]

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作者: 播妞    时间: 2017-9-4 14:43
标题: [C/C++] 网络编程高级应用—— libpcap 详解
概述
libpcap 是一个网络数据包捕获函数库，功能非常强大，Linux 下著名的 tcpdump 就是以它为基础的。


libpcap主要的作用
1）捕获各种数据包，列如：网络流量统计。
2）过滤网络数据包，列如：过滤掉本地上的一些数据，类似防火墙。
3）分析网络数据包，列如：分析网络协议，数据的采集。
4）存储网络数据包，列如：保存捕获的数据以为将来进行分析。


libpcap 的安装




libpcap 的抓包框架
pcap_lookupdev()：函数用于查找网络设备，返回可被 pcap_open_live() 函数调用的网络设备名指针。
pcap_lookupnet()：函数获得指定网络设备的网络号和掩码。
pcap_open_live()： 函数用于打开网络设备，并且返回用于捕获网络数据包的数据包捕获描述字。对于此网络设备的操作都要基于此网络设备描述字。
pcap_compile()： 函数用于将用户制定的过滤策略编译到过滤程序中。
pcap_setfilter()：函数用于设置过滤器。
pcap_loop()：函数 pcap_dispatch() 函数用于捕获数据包，捕获后还可以进行处理，此外 pcap_next() 和 pcap_next_ex() 两个函数也可以用来捕获数据包。
pcap_close()：函数用于关闭网络设备，释放资源。


利用 libpcap 函数库开发应用程序的基本步骤：

1、打开网络设备


2、设置过滤规则


3、捕获数据


4、关闭网络设备


抓包详细步骤
首先要使用 libpcap，我们必须包含 pcap.h 头文件，可以在 /usr/local/include/pcap/pcap.h 找到，其中包含了每个类型定义的详细说明。


1、获取网络接口设备名
char *pcap_lookupdev(char *errbuf);
功能：
得到可用的网络设备名指针
参数：
errbuf：存放出错信息字符串，里面有个宏定义：PCAP_ERRBUF_SIZE，为错误缓冲区大小
返回值：
成功返回设备名指针（第一个合适的网络接口的字符串指针）；
失败返回 NULL，同时，errbuf 存放出错信息字符串。


实例如下：
char error_content[PCAP_ERRBUF_SIZE] = {0};        // 出错信息
char *dev = pcap_lookupdev(error_content);
if(NULL == dev)
{
        printf(error_content);
        exit(-1);
}
复制代码


2、获取网络号（ip 地址）和掩码


int pcap_lookupnet(    char *device,                    
bpf_u_int32 *netp,
bpf_u_int32 *maskp,     
char *errbuf  );




功能：
获取指定网卡的 ip 地址，子网掩码
参数：
device：网络设备名，为第一步获取的网络接口字符串（pcap_lookupdev() 的返回值 ），也可人为指定，如“eth0”。
netp：存放 ip 地址的指针，bpf_u_int32 为 32 位无符号整型
maskp：存放子网掩码的指针，bpf_u_int32 为 32 位无符号整型
errbuf：存放出错信息
返回值：
成功返回 0，失败返回 -1


实例如下：


char error_content[PCAP_ERRBUF_SIZE] = {0};        // 出错信息
char *dev = pcap_lookupdev(error_content);
if(NULL == dev)
{
        printf(error_content);
        exit(-1);
}




bpf_u_int32 netp = 0, maskp = 0;
pcap_t * pcap_handle = NULL;
int ret = 0;


//获得网络号和掩码
ret = pcap_lookupnet(dev, &netp, &maskp, error_content);
if(ret == -1)
{
        printf(error_content);
        exit(-1);
}
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3、打开网络接口
pcap_t *pcap_open_live(  const char *device,
int snaplen,
int promisc,
int to_ms,
char *ebuf );
功能：
打开一个用于捕获数据的网络接口
参数：
device：网络接口的名字，为第一步获取的网络接口字符串（pcap_lookupdev() 的返回值 ），也可人为指定，如“eth0”。
snaplen：捕获数据包的长度，长度不能大于 65535 个字节。
promise：“1” 代表混杂模式，其它非混杂模式。
to_ms：指定需要等待的毫秒数，超过这个数值后，获取数据包的函数就会立即返回（这个函数不会阻塞，后面的抓包函数才会阻塞）。0 表示一直等待直到有数据包到来。
ebuf：存储错误信息。
返回值：
返回 pcap_t 类型指针，后面的所有操作都要使用这个指针。


实例如下：


char error_content[PCAP_ERRBUF_SIZE] = {0};        // 出错信息
char *dev = pcap_lookupdev(error_content);        // 获取网络接口
if(NULL == dev)
{
        printf(error_content);
        exit(-1);
}


// 打开网络接口
pcap_t * pcap_handle = pcap_open_live(dev, 1024, 1, 0, error_content);
if(NULL == pcap_handle)
{
        printf(error_content);
        exit(-1);
}
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4、获取数据包
a）
const u_char *pcap_next(pcap_t *p, struct pcap_pkthdr *h);
功能：
捕获一个网络数据包，收到一个数据包立即返回
参数：
p：pcap_open_live()返回的 pcap_t 类型的指针
h：数据包头


pcap_pkthdr 类型的定义如下：


struct pcap_pkthdr
{
        struct timeval ts; // 抓到包的时间
        bpf_u_int32 caplen; // 表示抓到的数据长度
        bpf_u_int32 len; // 表示数据包的实际长度
}
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len 和 caplen的区别：
因为在某些情况下你不能保证捕获的包是完整的，例如一个包长 1480，但是你捕获到 1000 的时候，可能因为某些原因就中止捕获了，所以 caplen 是记录实际捕获的包长，也就是 1000，而 len 就是 1480。
返回值：
成功返回捕获数据包的地址，失败返回 NULL
实例如下：


const unsigned char *p_packet_content = NULL; // 保存接收到的数据包的起始地址
pcap_t *pcap_handle = NULL;
struct pcap_pkthdr protocol_header;


pcap_handle = pcap_open_live("eth0", 1024, 1, 0,NULL);


p_packet_content = pcap_next(pcap_handle, &protocol_header);
//p_packet_content  所捕获数据包的地址
               
printf("Capture Time is :%s",ctime((const time_t *)&protocol_header.ts.tv_sec)); // 时间
printf("Packet Lenght is :%d\n",protocol_header.len);        // 数据包的实际长度


// 分析以太网中的 源mac、目的mac
struct ether_header *ethernet_protocol = NULL;
unsigned char *p_mac_string = NULL;                        // 保存mac的地址，临时变量


ethernet_protocol = (struct ether_header *)p_packet_content;  //struct ether_header 以太网帧头部


p_mac_string = (unsigned char *)ethernet_protocol->ether_shost;//获取源mac
printf("Mac Source Address is %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",*(p_mac_string+0),*(p_mac_string+1),*(p_mac_string+2),*(p_mac_string+3),*(p_mac_string+4),*(p_mac_string+5));


p_mac_string = (unsigned char *)ethernet_protocol->ether_dhost;//获取目的mac
printf("Mac Destination Address is %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",*(p_mac_string+0),*(p_mac_string+1),*(p_mac_string+2),*(p_mac_string+3),*(p_mac_string+4),*(p_mac_string+5));
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b）
int pcap_loop(     pcap_t *p,
int cnt,
pcap_handler callback,
u_char *user );
功能：
循环捕获网络数据包，直到遇到错误或者满足退出条件。每次捕获一个数据包就会调用 callback 指定的回调函数，所以，可以在回调函数中进行数据包的处理操作。
参数：
p：pcap_open_live()返回的 pcap_t 类型的指针。
cnt：指定捕获数据包的个数，一旦抓到了 cnt 个数据包，pcap_loop 立即返回。如果是 -1，就会永无休止的捕获，直到出现错误。
callback：回调函数，名字任意，根据需要自行起名。
user：向回调函数中传递的参数。


callback 回调函数的定义：
void callback(  u_char *userarg,
const struct pcap_pkthdr * pkthdr,
const u_char * packet )
userarg：pcap_loop() 的最后一个参数，当收到足够数量的包后 pcap_loop 会调用callback 回调函数，同时将pcap_loop()的user参数传递给它
pkthdr：是收到数据包的 pcap_pkthdr 类型的指针，和 pcap_next() 第二个参数是一样的。
packet ：收到的数据包数据


返回值：
成功返回0，失败返回负数


实例如下：
<font color="#000000">
if( pcap_loop(pcap_handle, -1, ethernet_protocol_callback, NULL) < 0 )
{
        perror("pcap_loop");
}


/*******************************回调函数************************************/
void ethernet_protocol_callback(unsigned char *argument,const struct pcap_pkthdr *packet_heaher,const unsigned char *packet_content)
{
        unsigned char *mac_string;                                //
        struct ether_header *ethernet_protocol;
        unsigned short ethernet_type;                        //以太网类型
        printf("----------------------------------------------------\n");
        printf("%s\n", ctime((time_t *)&(packet_heaher->ts.tv_sec))); //转换时间
        ethernet_protocol = (struct ether_header *)packet_content;
        
        mac_string = (unsigned char *)ethernet_protocol->ether_shost;//获取源mac地址
        printf("Mac Source Address is %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",*(mac_string+0),*(mac_string+1),*(mac_string+2),*(mac_string+3),*(mac_string+4),*(mac_string+5));
        
        mac_string = (unsigned char *)ethernet_protocol->ether_dhost;//获取目的mac
        printf("Mac Destination Address is %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",*(mac_string+0),*(mac_string+1),*(mac_string+2),*(mac_string+3),*(mac_string+4),*(mac_string+5));
        
        ethernet_type = ntohs(ethernet_protocol->ether_type);//获得以太网的类型
        printf("Ethernet type is :%04x\n",ethernet_type);
        switch(ethernet_type)
        {
                case 0x0800:printf("The network layer is IP protocol\n");break;//ip
                case 0x0806:printf("The network layer is ARP protocol\n");break;//arp
                case 0x0835:printf("The network layer is RARP protocol\n");break;//rarp
                default:break;
        }
        usleep(800*1000);
}
</font>
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c）
int pcap_dispatch(pcap_t * p, int cnt, pcap_handler callback, u_char * user);
这个函数和 pcap_loop() 非常类似，只是在超过 to_ms 毫秒后就会返回( to_ms 是pcap_open_live() 的第4个参数 )


5、释放网络接口
void pcap_close(pcap_t *p);
功能：
关闭 pcap_open_live() 打开的网络接口（即其返回值，pcap_t 类型指针），并释放相关资源。注意，操作完网络接口，应该释放其资源。
参数：
p：需要关闭的网络接口，pcap_open_live() 的返回值（pcap_t 类型指针）
返回值：
无


实例如下：
// 打开网络接口
pcap_t * pcap_handle = pcap_open_live("eth0", 1024, 1, 0, error_content);
if(NULL == pcap_handle)
{
        printf(error_content);
        exit(-1);
}


//// ……
//// ……


pcap_close(pcap_handle); //释放网络接口
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例子1（接收一个数据包）：


#include <stdio.h>
#include <pcap.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
struct ether_header
{
        unsigned char ether_dhost[6];        //目的mac
        unsigned char ether_shost[6];        //源mac
        unsigned short ether_type;                //以太网类型
};
#define BUFSIZE 1514


int main(int argc,char *argv[])
{
        pcap_t * pcap_handle = NULL;
        char error_content[100] = "";        // 出错信息
        const unsigned char *p_packet_content = NULL;                // 保存接收到的数据包的起始地址
        unsigned char *p_mac_string = NULL;                        // 保存mac的地址，临时变量
        unsigned short ethernet_type = 0;                        // 以太网类型
        char *p_net_interface_name = NULL;                // 接口名字
        struct pcap_pkthdr protocol_header;
        struct ether_header *ethernet_protocol;


        //获得接口名
        p_net_interface_name = pcap_lookupdev(error_content);
        if(NULL == p_net_interface_name)
        {
                perror("pcap_lookupdev");
                exit(-1);
        }
        
        //打开网络接口
        pcap_handle = pcap_open_live(p_net_interface_name,BUFSIZE,1,0,error_content);
        p_packet_content = pcap_next(pcap_handle,&protocol_header);
        
        printf("------------------------------------------------------------------------\n");
        printf("capture a Packet from p_net_interface_name :%s\n",p_net_interface_name);
        printf("Capture Time is :%s",ctime((const time_t *)&protocol_header.ts.tv_sec));
        printf("Packet Lenght is :%d\n",protocol_header.len);
        
        /*
        *分析以太网中的 源mac、目的mac
        */
        ethernet_protocol = (struct ether_header *)p_packet_content;
        p_mac_string = (unsigned char *)ethernet_protocol->ether_shost;//获取源mac
        printf("Mac Source Address is %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",*(p_mac_string+0),*(p_mac_string+1),*(p_mac_string+2),*(p_mac_string+3),*(p_mac_string+4),*(p_mac_string+5));
        p_mac_string = (unsigned char *)ethernet_protocol->ether_dhost;//获取目的mac
        printf("Mac Destination Address is %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",*(p_mac_string+0),*(p_mac_string+1),*(p_mac_string+2),*(p_mac_string+3),*(p_mac_string+4),*(p_mac_string+5));


        /*
        *获得以太网的数据包的地址，然后分析出上层网络协议的类型
        */
        ethernet_type = ntohs(ethernet_protocol->ether_type);
        printf("Ethernet type is :%04x\t",ethernet_type);
        switch(ethernet_type)
        {
                case 0x0800:printf("The network layer is IP protocol\n");break;//ip
                case 0x0806:printf("The network layer is ARP protocol\n");break;//arp
                case 0x0835:printf("The network layer is RARP protocol\n");break;//rarp
                default:printf("The network layer unknow!\n");break;
        }
        
        pcap_close(pcap_handle);
        return 0;
}
复制代码


注意：gcc 编译时需要加上 -lpcap，运行时需要使用超级权限




例子2（接收多个数据包）：


#include <stdio.h>
#include <pcap.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>


#define BUFSIZE 1514


struct ether_header
{
        unsigned char ether_dhost[6];        //目的mac
        unsigned char ether_shost[6];        //源mac
        unsigned short ether_type;                //以太网类型
};


/*******************************回调函数************************************/
void ethernet_protocol_callback(unsigned char *argument,const struct pcap_pkthdr *packet_heaher,const unsigned char *packet_content)
{
        unsigned char *mac_string;                                //
        struct ether_header *ethernet_protocol;
        unsigned short ethernet_type;                        //以太网类型
        printf("----------------------------------------------------\n");
        printf("%s\n", ctime((time_t *)&(packet_heaher->ts.tv_sec))); //转换时间
        ethernet_protocol = (struct ether_header *)packet_content;
        
        mac_string = (unsigned char *)ethernet_protocol->ether_shost;//获取源mac地址
        printf("Mac Source Address is %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",*(mac_string+0),*(mac_string+1),*(mac_string+2),*(mac_string+3),*(mac_string+4),*(mac_string+5));
        mac_string = (unsigned char *)ethernet_protocol->ether_dhost;//获取目的mac
        printf("Mac Destination Address is %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",*(mac_string+0),*(mac_string+1),*(mac_string+2),*(mac_string+3),*(mac_string+4),*(mac_string+5));
        
        ethernet_type = ntohs(ethernet_protocol->ether_type);//获得以太网的类型
        printf("Ethernet type is :%04x\n",ethernet_type);
        switch(ethernet_type)
        {
                case 0x0800:printf("The network layer is IP protocol\n");break;//ip
                case 0x0806:printf("The network layer is ARP protocol\n");break;//arp
                case 0x0835:printf("The network layer is RARP protocol\n");break;//rarp
                default:break;
        }
        usleep(800*1000);
}


int main(int argc, char *argv[])
{
        char error_content[100];        //出错信息
        pcap_t * pcap_handle;
        unsigned char *mac_string;                                
        unsigned short ethernet_type;                        //以太网类型
        char *net_interface = NULL;                                        //接口名字
        struct pcap_pkthdr protocol_header;
        struct ether_header *ethernet_protocol;
        
        //获取网络接口
        net_interface = pcap_lookupdev(error_content);
        if(NULL == net_interface)
        {
                perror("pcap_lookupdev");
                exit(-1);
        }


        pcap_handle = pcap_open_live(net_interface,BUFSIZE,1,0,error_content);//打开网络接口
               
        if(pcap_loop(pcap_handle,-1,ethernet_protocol_callback,NULL) < 0)
        {
                perror("pcap_loop");
        }
        
        pcap_close(pcap_handle);
        return 0;
}
复制代码


运行情况如下：




过滤数据包
我们抓到的数据包往往很多，如何过滤掉我们不感兴趣的数据包呢?


几乎所有的操作系统( BSD, AIX, Mac OS, Linux 等)都会在内核中提供过滤数据包的方法，主要都是基于 BSD Packet Filter( BPF ) 结构的。libpcap 利用 BPF 来过滤数据包。


1）设置过滤条件
BPF 使用一种类似于汇编语言的语法书写过滤表达式，不过 libpcap 和 tcpdump 都把它封装成更高级且更容易的语法了，具体可以通过 man tcpdump查看：






以下是一些例子：
src host 192.168.1.177
只接收源 ip 地址是 192.168.1.177 的数据包


dst port 80
只接收 tcp/udp 的目的端口是 80 的数据包


not tcp
只接收不使用 tcp 协议的数据包


tcp[13] == 0x02 and (dst port 22 or dst port 23)
只接收 SYN 标志位置位且目标端口是 22 或 23 的数据包（ tcp 首部开始的第 13 个字节）


icmp[icmptype] == icmp-echoreply or icmp[icmptype] == icmp-echo
只接收 icmp 的 ping 请求和 ping 响应的数据包


ehter dst 00:e0:09:c1:0e:82
只接收以太网 mac 地址是 00:e0:09:c1:0e:82 的数据包


ip[8] == 5
只接收 ip 的 ttl=5 的数据包（ip首部开始的第8个字节）


2）编译 BPF 过滤规则
int pcap_compile(  pcap_t *p,
struct bpf_program *fp,
char *buf,
int optimize,
bpf_u_int32 mask );
功能：
编译 BPF 过滤规则
参数：
p：pcap_open_live() 返回的 pcap_t 类型的指针
fp：存放编译后的 bpf，应用过滤规则时需要用到这个指针


buf：过滤条件
optimize：是否需要优化过滤表达式


mask：指定本地网络的网络掩码，不需要时可写 0


返回值：
成功返回 0，失败返回 -1




3）应用 BPF 过滤规则
int pcap_setfilter( pcap_t * p,  struct bpf_program * fp );
功能：
应用 BPF 过滤规则，简单理解为让过滤生效
参数：
p：pcap_open_live() 返回的 pcap_t 类型的指针
fp：pcap_compile() 的第二个参数
返回值：
成功返回 0，失败返回 -1


这个编译应用过程，有点类似于，我们写一个 C 程序，先编译，后运行的过程。


应用完过滤表达式之后我们便可以使用 pcap_loop() 或 pcap_next() 等抓包函数来抓包了。


下面的程序演示了如何过滤数据包，我们只接收目的端口是 80 的数据包：


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


void getPacket(u_char * arg, const struct pcap_pkthdr * pkthdr, const u_char * packet)
{
  int * id = (int *)arg;
  
  printf("id: %d\n", ++(*id));
  printf("Packet length: %d\n", pkthdr->len);
  printf("Number of bytes: %d\n", pkthdr->caplen);
  printf("Recieved time: %s", ctime((const time_t *)&pkthdr->ts.tv_sec));
  
  int i;
  for(i=0; i<pkthdr->len; ++i)
  {
    printf(" %02x", packet);
    if( (i + 1) % 16 == 0 )
    {
      printf("\n");
    }
  }
  
  printf("\n\n");
}


int main()
{
  char errBuf[PCAP_ERRBUF_SIZE], * devStr;
  
  /* get a device */
  devStr = pcap_lookupdev(errBuf);
  
  if(devStr)
  {
    printf("success: device: %s\n", devStr);
  }
  else
  {
    printf("error: %s\n", errBuf);
    exit(1);
  }
  
  /* open a device, wait until a packet arrives */
  pcap_t * device = pcap_open_live(devStr, 65535, 1, 0, errBuf);
  
  if(!device)
  {
    printf("error: pcap_open_live(): %s\n", errBuf);
    exit(1);
  }
  
  /* construct a filter */
  struct bpf_program filter;
  pcap_compile(device, &filter, "dst port 80", 1, 0);
  pcap_setfilter(device, &filter);
  
  /* wait loop forever */
  int id = 0;
  pcap_loop(device, -1, getPacket, (u_char*)&id);
  
  pcap_close(device);


  return 0;
}
复制代码

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