捕获TCP/IP协议栈数据包的原理

theanarkh

发布于 2021-05-28 17:25:21

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发布于 2021-05-28 17:25:21

wireshark或tcpdump相信大家都用过，这些工具看起来都很酷，因为我们平时都是在界面看到应用层的数据，这些工具居然可以让我们看到tcp/ip协议栈每层的数据。本文介绍一下查看tcp/ip协议栈数据的方法。并实现一个简陋的sniffer，通过nodejs暴露出来使用。我们先看实现。

#include <stdio.h>#include <errno.h> #include <unistd.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/types.h>  #include <linux/in.h>#include <linux/if_ether.h>#include <stdlib.h>#include <node_api.h>#define DATA_LEN 500
static napi_value start(napi_env env, napi_callback_info info) {  int sockfd;
  int bytes;
  char data[DATA_LEN];
  unsigned char *ipHeader;
  unsigned char *macHeader;
  unsigned char *transportHeader;
  // 对ETH_P_IP协议的数据包感兴趣，PF_PACKET在早期内核是AF_INET
  sockfd = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP));
  if (sockfd < 0) {
    printf("创建socket错误");
    exit(1);
  }

  while (1) {
    bytes = recvfrom(sockfd,data,DATA_LEN,0,NULL,NULL);
    printf("读到字节数：%d\n",bytes);
    macHeader = data;
    printf("MAC报文----------\n");
    printf("源Mac地址: %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",
           macHeader[0],macHeader[1],macHeader[2],
           macHeader[3],macHeader[4],macHeader[5]);
    printf("目的Mac地址: %02x:%02x:%02x:%02x:%02x:%02x\n",
           macHeader[6],macHeader[7],macHeader[8],
           macHeader[9],macHeader[10],macHeader[11]);
    printf("上层协议: %04x\n",
           (macHeader[12] << 8) + macHeader[13]);
    // 跳过Mac头
    ipHeader = data + 6 + 6 + 2;
    printf("IP报文--------\n");
    printf("ip协议版本：%d\n",
             (ipHeader[0] & 0xF0) >> 4); 
    int ipHeaderLen = (ipHeader[0] & 0x0F) << 2;
    printf("首部长度：%d\n",
         ipHeaderLen);
    printf("区分服务：%d\n",
         ipHeader[1]);     
    printf("总长度：%d\n",
         (ipHeader[2]<<8)+ipHeader[3]); 
    printf("标识：%d\n",
         (ipHeader[4]<<8)+ipHeader[5]);
    printf("标志：%d\n",
         (ipHeader[6] & 0xE0) >> 5);     
    printf("片偏移：%d\n",
         (ipHeader[6] & 0x11) + ipHeader[7]);  
    printf("TTL：%d\n",
         ipHeader[8]);
    printf("上层协议：%d\n",
         ipHeader[9]);     
    printf("首部校验和：%x%x\n",
         ipHeader[10]+ipHeader[11]);                          
    printf("源ip：%d.%d.%d.%d\n",
         ipHeader[12],ipHeader[13],
         ipHeader[14],ipHeader[15]);
    printf("目的ip：%d.%d.%d.%d\n",
         ipHeader[16],ipHeader[17],
         ipHeader[18],ipHeader[19]);

    transportHeader = ipHeader + ipHeaderLen;
    printf("传输层报文-----------\n");
    printf("源端口：%d\n",
         (transportHeader[0]<<8)+transportHeader[1]);
    printf("目的端口：%d\n",
         (transportHeader[2]<<8)+transportHeader[3]);
    printf("序列号：%ud%ud%ud%ud\n",
         transportHeader[4],transportHeader[5],transportHeader[6],transportHeader[7]);
    printf("确认号：%ud\n",
         (transportHeader[8]<<24)+(transportHeader[9]<<16)+(transportHeader[10]<<8)+(transportHeader[11]));
    printf("传输层首部长度：%d\n",
        ((transportHeader[12] & 0xF0) >> 4) * 4);
    printf("FIN：%d\n",
        transportHeader[13] & 0x01);
    printf("SYN：%d\n",
        (transportHeader[13] & 0x02) >> 1);
    printf("RST：%d\n",
        (transportHeader[13] & 0x04) >> 2);
    printf("PSH：%d\n",
        (transportHeader[13] & 0x08) >> 3);
    printf("ACK：%d\n",
        (transportHeader[13] & 0x016) >> 4);
    printf("URG：%d\n",
        (transportHeader[13] & 0x32) >> 5);
    printf("窗口大小：%d\n",
        (transportHeader[14] << 8) + transportHeader[15]);
    }}

napi_value Init(napi_env env, napi_value exports) {
  napi_value func;
  napi_create_function(env,
                    NULL,
                    NAPI_AUTO_LENGTH,
                    start,
                    NULL,
                    &func);
  napi_set_named_property(env, exports, "start", func);
  return exports;}
NAPI_MODULE(NODE_GYP_MODULE_NAME, Init)

我们看到实现并不复杂，首先创建一个socket，然后接收socket上面的数据进行分析就行。上面的代码可以捕获到所有发给本机的tcp/ip包，下面我们看看效果（有些字段还没有仔细处理）。

下面我们来看看底层的实现（2.6.13.1内核）。我们从socket函数的实现开始分析。

asmlinkage long sys_socket(int family, int type, int protocol){
  int retval;
  struct socket *sock;
  // 创建一个socket
  retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
  // 返回文件描述符给用户
  retval = sock_map_fd(sock);}

接着看sock_create。

int sock_create(int family, int type, int protocol, struct socket **res){
  return __sock_create(family, type, protocol, res, 0);}
static int __sock_create(int family, int type, int protocol, struct socket **res, int kern){  int err;
  struct socket *sock;
  // 分配一个socket
  if (!(sock = sock_alloc())) {
    // ...
  }
  // socket类型
  sock->type  = type;
  err = -EAFNOSUPPORT;
  // 根据协议簇拿到对应的函数集，然后调用create函数
  if ((err = net_families[family]->create(sock, protocol)) < 0)
    goto out_module_put;}

我们看到__sock_create的逻辑很简单，根据协议簇拿到对应的函数集，然后执行其create函数。我们看看PF_PACKET协议簇对应的函数集。PF_PACKET协议簇通过packet_init注册了对应的函数集。

static int __init packet_init(void){
  sock_register(&packet_family_ops);}
static struct net_proto_family packet_family_ops = {  .family = PF_PACKET,
  .create = packet_create,
  .owner  = THIS_MODULE,};

我们看到create函数的值是packet_create。

static int packet_create(struct socket *sock, int protocol){
  struct sock *sk;
  struct packet_sock *po;
  int err;
  // 分配一个packet_sock结构体
  sk = sk_alloc(PF_PACKET, GFP_KERNEL, &packet_proto, 1);
  // 赋值函数集
  sock->ops = &packet_ops;
  // 关联socket和sock
  sock_init_data(sock, sk);
  // 拿到一个packet_sock结构体，第一个字段是sock结构体（struct packet_sock *po）
  po = pkt_sk(sk);
  sk->sk_family = PF_PACKET;
  // 接收数据包的函数
  po->prot_hook.func = packet_rcv;
  po->prot_hook.af_packet_priv = sk;

  if (protocol) {
    po->prot_hook.type = protocol;
    dev_add_pack(&po->prot_hook);
    sock_hold(sk);
    po->running = 1;
  }}

packet_create首先创建了一个packet_sock结构体并初始化，最后调用dev_add_pack。

static struct list_head ptype_base[16]; 

void dev_add_pack(struct packet_type *pt){
  int hash;

  spin_lock_bh(&ptype_lock);
  if (pt->type == htons(ETH_P_ALL)) {
    netdev_nit++;
    list_add_rcu(&pt->list, &ptype_all);
  } else {
    hash = ntohs(pt->type) & 15;
    list_add_rcu(&pt->list, &ptype_base[hash]);
  }
  spin_unlock_bh(&ptype_lock);}

我们看到dev_add_pack的逻辑是往ptype_base对应的队列加入一个节点。接着我们看看网卡收到数据包的时候是如何处理的。

int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb){
  type = skb->protocol;
  list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_base[ntohs(type)&15], list) {
    if (ptype->type == type &&
        (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev)) {
      if (pt_prev) 
        ret = deliver_skb(skb, pt_prev);
      pt_prev = ptype;
    }
  }
  ret = pt_prev->func(skb, skb->dev, pt_prev);}

netif_receive_skb的逻辑中会根据收到mac包中上层协议字段找到对应的处理函数，比如本文的packet。最后执行func。从刚才的create函数我们看到func的值是packet_rcv。

static int packet_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev,  struct packet_type *pt) {
  __skb_queue_tail(&sk->sk_receive_queue, skb);
  sk->sk_data_ready(sk, skb->len);}

packet_rcv首先把收到的数据包插入socket的接收队列，然后调用sk_data_ready通知socket，对应函数是sock_def_readable。

static void sock_def_readable(struct sock *sk, int len){
  if (sk->sk_sleep && waitqueue_active(sk->sk_sleep))
    wake_up_interruptible(sk->sk_sleep);}

sock_def_readable会唤醒阻塞在该socket的进程。那么这个队列里有什么呢？我们回到文章开始的代码，我们创建socket后阻塞在recvfrom。recvfrom通过层层调用最后执行对应函数集的recvmsg。

static int packet_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
        struct msghdr *msg, size_t len, int flags){
  struct sk_buff *skb;
  skb=skb_recv_datagram(sk,flags,flags&MSG_DONTWAIT,&err);}

packet_recvmsg从socket的接收队列取出一个数据包，我们看看skb_recv_datagram。

struct sk_buff *skb_recv_datagram(struct sock *sk, unsigned flags,
          int noblock, int *err){
  struct sk_buff *skb;
  long timeo;
  /*
    static inline long sock_rcvtimeo(const struct sock *sk, int noblock)
    {
      return noblock ? 0 : sk->sk_rcvtimeo;
    }
    获取没有数据包时等待的超时时间
  */
  timeo = sock_rcvtimeo(sk, noblock);

  do {
    skb = skb_dequeue(&sk->sk_receive_queue);
    // 有则返回
    if (skb)
      return skb;

    // 没有
    error = -EAGAIN;
    // 不等待则直接返回
    if (!timeo)
      goto no_packet;
  // 否则等待一段时间
  } while (!wait_for_packet(sk, err, &timeo));}

我们看到没有数据包的时候会等待一段时间，我们看看这个时间是多少。

sk->sk_rcvtimeo = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;#define MAX_SCHEDULE_TIMEOUT  LONG_MAX

我们看到超时时间非常长，当然这个值我们可以通过setsockopt的SO_RCVTIMEO选项设置。接着我们看等待的逻辑wait_for_packet。

#define DEFINE_WAIT(name)           \
  wait_queue_t name = {           \
    .private  = current,        \
    .func   = autoremove_wake_function,   \
    .task_list  = LIST_HEAD_INIT((name).task_list), \
  }
static int wait_for_packet(struct sock *sk, int *err, long *timeo_p){  DEFINE_WAIT(wait);
  prepare_to_wait_exclusive(sk->sk_sleep, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE);
  int error = 0;
  *timeo_p = schedule_timeout(*timeo_p);
out:
  finish_wait(sk->sk_sleep, &wait);
  return error
}

wait_for_packet首先把当前进程插入对应的等待队列并修改进程状态为非就绪（TASK_INTERRUPTIBLE）

void fastcall prepare_to_wait_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state){
  // 把当前进程插入等待队列
  if (list_empty(&wait->task_list))
    __add_wait_queue_tail(q, wait);
  // 修改进程状态
  set_current_state(state);}

接着执行进程调度schedule_timeout。

fastcall signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout){
  struct timer_list timer;
  unsigned long expire;
  // 超时时间
  expire = timeout + jiffies;
  // 开启定时器
  init_timer(&timer);
  timer.expires = expire;
  timer.data = (unsigned long) current;
  timer.function = process_timeout;
  // 启动定时器
  add_timer(&timer);
  // 进程调度
  schedule();
  timeout = expire - jiffies;

 out:
  return timeout < 0 ? 0 : timeout;}

以上就是实现捕获tcp/ip协议栈数据包的底层原理。代码仓库https://github.com/theanarkh/node-sniffer

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原始发表：2021-05-11，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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