基于Linux C的socket抓包程序和Package分析 (一)

测试运行平台：CentOS 6.5发行版，内核版本3.11

1. Linux抓包源程序

在OSI七层模型中，网卡工作在物理层和数据链路层的MAC子层。

进行网络通信时，源主机通过socket（或其它）应用程序产生IP报文，经过各个OSI层层封装，数据包以Ethernet帧的形式进入物理层。Ethernet帧包含源主机地址、IP报文、目标地址（IP地址、端口号或映射的6字节MAC地址）和需要传送到目标主机的其它信息。

目标的MAC地址是哪里来的呢？这牵扯到一个ARP协议（介乎于网络层和数据链路层的一个协议）。第一次传送某个目的IP地址的数据的时候，先会发出一个ARP包，其MAC的目标地址是广播地址，里面说到："谁是xxx.xxx.xxx.xxx这个IP地址的主人？"因为是广播包，所有这个局域网的主机都收到了这个ARP请求。收到请求的主机将这个IP地址和自己的相比较，如果不相同就不予理会，如果相同就发出ARP响应包。这个IP地址的主机收到这个ARP请求包后回复的ARP响应里说到："我是这个IP地址的主人"。这个包里面就包括了他的MAC地址。以后的给这个IP地址的帧的目标MAC地址就被确定了。

就这样，以太网帧开始在数据链路层传播。Ethernet帧在链路层基于广播方式传播，即网段内的所有网卡都能观察该帧，但只有一个网卡通过对比6字节MAC地址发现与自己相符，然后它就接收该帧。而其它网卡则放弃该帧。（其它网卡也可以接受该帧，即实际的网络Sniffer，可进行信息窃取等操作）

网卡得到Ethernet帧后，通过网络驱动程序和上层协议对其进行还原操作，即层层剥离报文头后将数据交由目标主机的socket（或其它）应用程序使用。

如果我们需要原始的以太网帧，以便观察与目标主机进行通信的源主机信息，则可以通过建立基于PF_PACKET的socket应用程序实现。PF_PACKET协议簇允许应用程序直接获得网络驱动程序得到的数据帧信息。PF_PACKET支持SOCK_DGRAM和SOCK_RAW两种socket类型，前者利用操作系统处理报文头，而后者则将以太网帧直接交由应用程序处理。需要注意到是，只有root权限用户才能使用PF_PACKET程序。

下面的代码即可实现由应用程序直接获得以太网帧的需求。

#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <linux/if_ether.h>
#include <linux/in.h>

#define BUFFER_MAX 2048
 
int main(int argc, char *argv[]){
     int  SOCKET_SRC;
     char buf[BUFFER_MAX];
     int n_rd;

     if( (SOCKET_SRC = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP))) < 0 ){
         fprintf(stderr, "create socket error.\n");
         exit(0);
     }
     while(1){
         n_rd = recvfrom(SOCKET_SRC, buf, BUFFER_MAX, 0, NULL, NULL);
     	 if (n_rd<46) {
         	 perror("recvfrom():");
          	printf("Incomplete packet (errno is %d)\n",  errno);
          	close(SOCKET_SRC);
          	exit(0);
    	 }
    	 /* An Ethernet frame was written to buf, frame analysis can be processed here */
    	 /* Termination control */
     }
     close(SOCKET_SRC);
     return 0;
}

2. 数据包(以太网帧)分析

一个以太网帧（RFC894）的数据格式如下图所示。

以太网帧（RFC894)格式

程序通过执行一次

n_rd = recvfrom(SOCKET_SRC, buf, BUFFER_MAX, 0, NULL, NULL);

就将上面一条以太网帧写入buf中。

（1） 为了从buf中提取以太网报文头，我们可以定义如下结构体。

typedef struct mac_frm_hdr {
     char dest_addr[6];	//destination MAC address shall be defined first.
     char src_addr[6];
     short type;
 }__attribute__((packed)) MAC_FRM_HDR;

定义该结构体时，需要注意以下几点。

a.各属性需按帧格式的出现顺序定义。

b.数据类型长度必须和帧中相应区域的长度相同。

c. 使用__attribute__((packed))取消编译器自动优化对齐结构体，也是为了保证属性长度和帧中相应区域的长度相同。

（2）为了提取IP报文头，根据IP报文头的格式，我们可定义如下结构体。

typedef struct ip_hdr{ 	//header of IPV4
    #ifdef __LITTLE_ENDIAN_BIFIELD
        u_char ip_len:4, ip_ver:4;
    #else
        u_char ip_ver:4, ip_len:4;
    #endif

    u_char  ip_tos;
    u_short ip_total_len;
    u_short ip_id;
    u_short ip_flags;
    u_char  ip_ttl;
    u_char  ip_protocol;
    u_short ip_chksum;
    u_int32 ip_src;
    u_int32 ip_dest;
}__attribute__((packed)) IP_HDR;

为保证各属性长度与IP报文头中一致，我们应该在定义该结构体前作如下声明。

typedef int int32;
typedef unsigned int u_int32;
typedef unsigned char u_char;
typedef unsigned short u_short;

注意事项参考定义以太网帧结构体。

（3）为了提取UDP/TCP报文头，可根据UDP/TCP报文头格式，定义相应结构体，这里不作赘述。

下面是对以太网帧进行解析的具体代码。

MAC_FRM_HDR *mac_hdr; //define a Ethernet frame header
IP_HDR *ip_hdr;       //define a IP header
char *tmp1, *tmp2;
int AND_LOGIC = 0xFF;

mac_hdr = buf;	//buf is what we got from the socket program
ip_hdr = buf + sizeof(MAC_FRM_HDR);
//udp_hdr = buf + sizeof(MAC_FRM_HDR) + sizeof(IP_HDR); //if we want to analyses the UDP/TCP

tmp1 = mac_hdr->src_addr;
tmp2 = mac_hdr->dest_addr;
/* print the MAC addresses of source and receiving host */
printf("MAC: %.2X:%.2X:%.2X:%.2X:%.2X:%.2X==>" "%.2X:%.2X:%.2X:%.2X:%.2X:%.2X",
            tmp1[0]&AND_LOGIC, tmp1[1]&AND_LOGIC, tmp1[2]&AND_LOGIC,tmp1[3]&AND_LOGIC,
            tmp1[4]&AND_LOGIC, tmp1[5]&AND_LOGIC,
            tmp2[0]&AND_LOGIC, tmp2[1]&AND_LOGIC, tmp2[2]&AND_LOGIC,tmp2[3]&AND_LOGIC,
            tmp2[4]&AND_LOGIC, tmp2[5]&AND_LOGIC);

tmp1 = (char*)&ip_hdr->ip_src;
tmp2 = (char*)&ip_hdr->ip_dest;
/* print the IP addresses of source and receiving host */
printf("IP: %d.%d.%d.%d => %d.%d.%d.%d",
             tmp1[0]&AND_LOGIC, tmp1[1]&AND_LOGIC, tmp1[2]&AND_LOGIC,tmp1[3]&AND_LOGIC,
             tmp2[0]&AND_LOGIC, tmp2[1]&AND_LOGIC, tmp2[2]&AND_LOGIC,tmp2[3]&AND_LOGIC);
/* print the IP protocol which was used by the socket communication */
switch(ip_hdr->ip_protocol) {
         case IPPROTO_ICMP: LOGI("ICMP"); break;
         case IPPROTO_IGMP: LOGI("IGMP"); break;
         case IPPROTO_IPIP: LOGI("IPIP"); break;
         case IPPROTO_TCP:
 	 case IPPROTO_UDP:
                            LOGI("Protocol: %s", ip_hdr->ip_protocol == IPPROTO_TCP ? "TCP" : "UDP");
                            LOGI("Source port: %u, destination port: %u", udp_hdr->s_port, udp_hdr->d_port);
                            break;
         case IPPROTO_RAW: LOGI("RAW"); break;
         default: printf("Unknown, please query in inclued/linux/in.h\n"); break;
}

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