Linux 网络编程—— 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。
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);
}
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);
}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。什么为混杂模式，请看《原始套接字编程》。
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。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);
}
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 }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));
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：
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);
}
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：
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
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;
}
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;
}
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
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[i]);
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;
}
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