Linux 环境下tcpdump 源代码分析
韩大卫@吉林师范大学
tcpdump.c 是tcpdump 工具的main.c, 本文旨对tcpdump的框架有简单了解，只展示linux平台使用的一部分核心代码。
Tcpdump 的使用目的就是打印出指定条件的报文，即使有再多的正则表达式作为过滤条件。所以只要懂得tcpdump -nXXi eth0 的实现原理即可。
进入main之前，先看一些头文件
netdissect.h里定义了一个数据结构struct netdissect_options来描述tcdpump支持的所有参数动作，每一个参数有对应的flag, 在tcpdump 的main 里面， 会根据用户的传入的参数来增加相应flag数值， 最后根据这些flag数值来实现特定动作。各个参数含义请参考源代码注释。
struct netdissect_options {
int ndo_aflag; /* translate network and broadcast addresses */
//打印出以太网头部
int ndo_eflag; /* print ethernet header */
int ndo_fflag; /* don't translate "foreign" IP address */
int ndo_Kflag; /* don't check TCP checksums */
//不将地址转换为名字
int ndo_nflag; /* leave addresses as numbers */
int ndo_Nflag; /* remove domains from printed host names */
int ndo_qflag; /* quick (shorter) output */
int ndo_Rflag; /* print sequence # field in AH/ESP*/
int ndo_sflag; /* use the libsmi to translate OIDs */
int ndo_Sflag; /* print raw TCP sequence numbers */
// 报文到达时间
int ndo_tflag; /* print packet arrival time */
int ndo_Uflag; /* "unbuffered" output of dump files */
int ndo_uflag; /* Print undecoded NFS handles */
//详细信息
int ndo_vflag; /* verbose */
// 十六进制打印报文
int ndo_xflag; /* print packet in hex */
// 十六进制和ASCII码打印报文
int ndo_Xflag; /* print packet in hex/ascii */
//以ASCII码显示打印报文
int ndo_Aflag; /* print packet only in ascii observing TAB,
* LF, CR and SPACE as graphical chars
*/
...
//默认的打印函数
void (*ndo_default_print)(netdissect_options *,
register const u_char *bp, register u_int length);
void (*ndo_info)(netdissect_options *, int verbose);
...
}
interface.h 接口头文件，定义了一堆宏就为了方便调用struct netdissect_options里的成员。
#ifndef NETDISSECT_REWORKED
extern netdissect_options *gndo;
...
#define nflag gndo->ndo_nflag
...
#define tflag gndo->ndo_tflag
...
#define vflag gndo->ndo_vflag
#define xflag gndo->ndo_xflag
#define Xflag gndo->ndo_Xflag
...
#endif
tcpdump.c
int
main(int argc, char **argv)
{
register char *cp, *infile, *cmdbuf, *device, *RFileName, *WFileName;
pcap_handler callback;
int type;
struct bpf_program fcode;
struct print_info printinfo;
...
//对netdissect_options中一些参数初始化
gndo->ndo_Oflag=1;
gndo->ndo_Rflag=1;
gndo->ndo_dlt=-1;
gndo->ndo_default_print=ndo_default_print;
gndo->ndo_printf=tcpdump_printf;
gndo->ndo_error=ndo_error;
gndo->ndo_warning=ndo_warning;
gndo->ndo_snaplen = DEFAULT_SNAPLEN;
...
opterr = 0;
while (
/*经典的getopt框架。 字符数组为tcpdump 支持的全部参数。可以看到， 参数x, X,t这些参数后面没有：或：：， 这说明这些参数会产生叠加的效果。
*/
(op = getopt(argc, argv, "aA" B_FLAG "c:C:d" D_FLAG "eE:fF:G:i:" I_FLAG "KlLm:M:nNOpqr:Rs:StT:u" U_FLAG "vw:W:xXy:Yz:Z:")) != -1)
switch (op) {
...
//case 里面的处理大多相似，以下仅用-i,-X,-x做例。
//-i 参数用来指定网口
case 'i':
if (optarg[0] == '0' && optarg[1] == 0)
error("Invalid adapter index");
device = optarg;
break;
…
//-x 为以十六进制打印报文，如使用-xx， xflag数值为2，后面根据xflag>1来打印出链路层头部
case 'x':
++xflag;
++suppress_default_print;
break;
case 'X':
++Xflag;
++suppress_default_print;
break;
//case 'n', case 'A'等操作类似如上
...
}
...
/＊展开核心代码前处理信号，信号处理函数cleanup会调用info()来打印当用户按ctrl+c等发送中止信号时tcpdump显示已处理报文的统计信息。
3 packets captured
3 packets received by filter
0 packets dropped by kernel
*/
(void)setsignal(SIGPIPE, cleanup);
(void)setsignal(SIGTERM, cleanup);
(void)setsignal(SIGINT, cleanup);
(void)setsignal(SIGCHLD, child_cleanup);
...
//从 -r 参数读取指定文件， 在此忽略
if (RFileName != NULL) {
...
} else {
//如果没有-i 参数来指定网络接口， 那么调用 pcap_lookupdev()来寻找可用的网络接口
if (device == NULL) {
device = pcap_lookupdev(ebuf);
if (device == NULL)
error("%s", ebuf);
}
/＊pcap_open_live() 定义为：
pcap_t *pcap_open_live(char *device, int snaplen, int promisc, int to_ms, char *ebuf)
device为要打开的指定设备
snaplen为最大报文长度， 由-s 指定. 默认为65536.
Promise 为是否要将网口配置为混杂模式， 由-p 指定，！Pflag：默认为是。
to_ms 为超时时间。 *ebuf 为传递错误信息使用。
函数返回捕获报文的句柄。
*/
*ebuf = '\0';
pd = pcap_open_live(device, snaplen, !pflag, 1000, ebuf);
if (pd == NULL)
error("%s", ebuf);
else if (*ebuf)
warning("%s", ebuf);
// -w 参数 加结果写入一个文件， 在此忽略
if (WFileName) {
...
} else {
//返回数据链路层的枚举值
type = pcap_datalink(pd);
printinfo.printer = lookup_printer(type);
／＊lookup_printer() 作用如下：根据该数据链路层类型返回相应的打印函数指针。定义如下：
static if_printer
lookup_printer(int type)
{
struct printer *p;
for (p = printers; p->f; ++p)
if (type == p->type)
return p->f;
return NULL;
}
其中struct printer定义为 一个打印函数指针， 一个类型数值
typedef u_int (*if_printer)(const struct pcap_pkthdr *, const u_char *);
struct printer {
if_printer f;
int type;
};
printers 为一个struct printer数组， 定义如下：
static struct printer printers[] =｛
{ arcnet_if_print, DLT_ARCNET },
{ ether_if_print, DLT_EN10MB },
{ token_if_print, DLT_IEEE802 },
...
｝
由上可以看到， 当为以太网环境（DLT_EN10MB）时，实现函数为ether_if_print,
当为IEEE802令牌环网环境时， 实现函数为 token_if_print。
等等。 不同数据链路层环境有不同的调用函数来实现打印特定格式的报文。
for (p = printers; p->f; ++p) ： 从数组首个元素开始，循环条件是元素存在f指针，依次遍历全部数组成员。
所以当数据链路层的类型为DLT_EN10MB时， 对应的打印函数为ether_if_print。
我本人觉得 lookup_printer() 这个函数写得甚是巧妙。 非常值得借鉴。 每一种类型定义一个数据结构struct printer， 包含一个函数指针和一个类型值。 将全部的类型放入一个数组中，遍历数组时根据类型值返回对应的函数指针， 再有新类型时，仅将其添加到数组中即可。
＊／
if (printinfo.printer == NULL) {
gndo->ndo_dltname = pcap_datalink_val_to_name(type);
if (gndo->ndo_dltname != NULL)
error("unsupported data link type %s",
gndo->ndo_dltname);
else
error("unsupported data link type %d", type);
}
//函数指针callback指向print_packet
callback = print_packet;
//将printinfo作为unsigned char * 赋值给pcap_usrdata, 在后面作为pcap_loop()的参数
pcap_userdata = (u_char *)&printinfo;
}
if (RFileName == NULL) {
int dlt;
const char *dlt_name;
...
／＊pcap_datalink() 返回数据链路层类型枚举值，这里返回DLT_EN10MB ＊／
dlt = pcap_datalink(pd);
//根据该枚举返回数据链路类型char *name： “EN10MB”
dlt_name = pcap_datalink_val_to_name(dlt);
if (dlt_name == NULL) {
(void)fprintf(stderr, "listening on %s, link-type %u, capture size %u bytes\n",
device, dlt, snaplen);
} else {
(void)fprintf(stderr, "listening on %s, link-type %s (%s), capture size %u bytes\n",
device, dlt_name,
//获取该数据链路层类型的字符串描述
pcap_datalink_val_to_description(dlt), snaplen);
}
／＊
使用tcpdump -nXXi eth0
后，打印信息：
listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes
即来源于此。
＊／
/＊调用 pcap_loop(), 循环捕获报文并将报文交给callback处理，直到遇到错误或退出信号。
Cnt 为 -c 参数指定，默认0. Usrdata 作为callback 的参数。
pcap_loop() 是libpcap 提供的API，它完成了与底层驱动的通信，首先创建了一个socket，将句柄封装后交给底层驱动，驱动收到数据包后将其写入socket， 从内核层发往用户层， 用户层的pcap_loop()持续poll 这个socket , 发现其有数据后就将数据交给callback函数处理，进行打印。 这样做的优点是可直接使用linux的既有socket IPC架构， 缺点是要承受在高速的以太网环境里，从内核层到用户层的拷贝动作产生的开销代价。
*/
status = pcap_loop(pd, cnt, callback, pcap_userdata);
...
pcap_close(pd);
／＊
由上面看到， callback 的实现函数为print_packet()， pcap_loop()调用callpack 时传给print_packet()三个参数，第一个为含有特定链路层打印函数的结构体pcap_userdata, 第二个为包含报文信息的 struct pcap_pkthdr 常量指针， 第三个为数据包内容的字符串常量指针。
其中struct pcap_pkthdr 定义为：
struct pcap_pkthdr{
struct timeval ts; //时间戳数据结构
bpf_u_int32 caplen; //报文捕获长度
bpf_u_int32 len; //报文实际长度
}
注： 如一个报文实际长度100B， 但tcpdump捕获80B时停止， 那么caplen 为80, len 为 100。
static void
print_packet(u_char *user, const struct pcap_pkthdr *h, const u_char *sp)
{
struct print_info *print_info;
u_int hdrlen;
++packets_captured;
++infodelay;
ts_print(&h->ts);
/＊取得参数user 的数据结构， 后面(*print_info->printer)即调用user提供的打印函数，
这里为ether_if_print()
＊／
print_info = (struct print_info *)user;
snapend = sp + h->caplen;
//调用ether_if_print()
hdrlen = (*print_info->printer)(h, sp);
if (Xflag) {
//当tcpdump 有多个X参数时， 如 tcpdump -XX 时， 以十六进制和ASCII码打印出链路层头部信息
if (Xflag > 1) {
hex_and_ascii_print("\n\t", sp, h->caplen);
} else {
／／只有一个X参数，即tcpdump -X 时，不打印链路层头部
if (h->caplen > hdrlen)
hex_and_ascii_print("\n\t", sp + hdrlen,
h->caplen - hdrlen);
}
} else if (xflag) {
//同-X， 当存在多个-x 参数，如tcpdump -xx 时， 打印链路层头部, 但只以十六进制打印
if (xflag > 1) {
hex_print("\n\t", sp, h->caplen);
} else {
if (h->caplen > hdrlen)
hex_print("\n\t", sp + hdrlen,
h->caplen - hdrlen);
}
} else if (Aflag) {
//-A 参数， 以ASCII码打印报文信息
if (Aflag > 1) {
ascii_print(sp, h->caplen);
} else {
if (h->caplen > hdrlen)
ascii_print(sp + hdrlen, h->caplen - hdrlen);
}
}
putchar('\n');
--infodelay;
if (infoprint)
info(0);
}
＊／
／＊
在print-ether.c里， 有ether_if_print 的定义， 同样的， 在print-token.c 里有token_if_print的定义， print-arcnet.c里有arcnet_if_print的定义。Tcpdump 目录里大量的 “print-” 开头的文件均是特定的打印函数。
print-ether.c
u_int
ether_if_print(const struct pcap_pkthdr *h, const u_char *p)
{
//将报文内容， 报文捕获长度， 报文实际长度传给 ether_print
ether_print(p, h->len, h->caplen);
}
ether_print定义：
void
ether_print(const u_char *p, u_int length, u_int caplen)
{
struct ether_header *ep;
／＊
以太网头部定义
#define ETHER_HDRLEN 14 //头部长14字节
#define ETHER_ADDR_LEN 6
struct ether_header {
u_int8_t ether_dhost[ETHER_ADDR_LEN];
//DMAC, 6字节
u_int8_t ether_shost[ETHER_ADDR_LEN];
//SMAC, 6字节
u_int16_t ether_type;
//type, 2字节
};
＊／
u_short ether_type;
u_short extracted_ether_type;
if (caplen < ETHER_HDRLEN) {
printf("[|ether]");
return;
}
/＊如果有 -e参数，打印链路层头部，调用 ether_hdr_print() ，定义见下方。
*/
if (eflag)
ether_hdr_print(p, length);
length -= ETHER_HDRLEN;
caplen -= ETHER_HDRLEN;
ep = (struct ether_header *)p;
p += ETHER_HDRLEN;
ether_type = ntohs(ep->ether_type);
//具体的打印细节不做研究了
if (ether_type <= ETHERMTU) {
/* Try to print the LLC-layer header & higher layers */
if (llc_print(p, length, caplen, ESRC(ep), EDST(ep),
&extracted_ether_type) == 0) {
if (!eflag)
ether_hdr_print((u_char *)ep, length + ETHER_HDRLEN);
if (!suppress_default_print)
default_print(p, caplen);
}
} else if (ether_encap_print(ether_type, p, length, caplen,
&extracted_ether_type) == 0) {
if (!eflag)
ether_hdr_print((u_char *)ep, length + ETHER_HDRLEN);
if (!suppress_default_print)
default_print(p, caplen);
}
}
*/
/*
使用 tcpdump -nei eth0 会有如下显示：
12:53:12.189132 d0:df:9a:53:f0:07 > 01:00:5e:7f:ff:fa, ethertype IPv4 (0x0800), length 175: 10.10.168.94.60395 > 239.255.255.250.1900: UDP, length 133
ether_hdr_print 定义：
static inline void
ether_hdr_print(register const u_char *bp, u_int length)
{
register const struct ether_header *ep;
ep = (const struct ether_header *)bp;
//打印出 原MAC > 目的MAC， 比如上面的 d0:df:9a:53:f0:07 > 01:00:5e:7f:ff:fa
(void)printf("%s > %s",
etheraddr_string(ESRC(ep)),
etheraddr_string(EDST(ep)));
//如果没有-q 参数，
if (!qflag) {
if (ntohs(ep->ether_type) <= ETHERMTU)
(void)printf(", 802.3");
else
//打印出协议类型， 如上面的ethertype IPv4 (0x0800)
(void)printf(", ethertype %s (0x%04x)",
tok2str(ethertype_values,"Unknown", ntohs(ep->ether_type)),
ntohs(ep->ether_type));
} else {
if (ntohs(ep->ether_type) <= ETHERMTU)
(void)printf(", 802.3");
else
(void)printf(", %s", tok2str(ethertype_values,"Unknown Ethertype (0x%04x)", ntohs(ep->ether_type)));
}
//打印出报文长度， 如上面的length 175
(void)printf(", length %u: ", length);
}
＊／
总结：
概括地看， tcpdump.c 可分三个部分：
第一部分是用struct netdissect_options数据结构作为一个参数集合， 并用getopt框架来处理argv的参数逻辑。
第二部分是使用libpcap库函数来搭建与底层IPC通道。 其中最重要的API有三个， 第一个是pcap_lookupdev(), 查找可用网口，第二个是pcap_open_live()，打开指定设备并将其配置为混杂模式返回句柄， 第三个是使用pcap_loop()持续获取报文数据，调用回调函数进行打印处理。
第三部分是实现callback 函数，tcpdump.c里的callback函数只做了一个封装，最终调用的是参数pcap_userdata里提供的特定数据链路层的打印函数， 这个函数指针的查找是由lookup_printer()实现的。
关于pcap_open_live 和pcap_loop 这两个重要的函数源代码分析，后续介绍。