tcpdump 实现原理【整理】

参考：http://blog.sina.com.cn/s/blog_523491650101au7f.html

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一、tcpdump

对于本机中进程的系统行为调用跟踪，strace是一个很好的工具，而在网络问题的调试中，tcpdump应该说是一个必不可少的工具，和大部分linux下优秀工具一样，它的特点就是简单而强大。
默认情况下，tcpdump不会抓取本机内部通讯的报文。根据网络协议栈的规定，对于报文，即使是目的地是本机，也需要经过本机的网络协议层，所以本机通讯肯定是通过API进入了内核，并且完成了路由选择。
二、linux下抓包原理
linux下的抓包是通过注册一种虚拟的底层网络协议来完成对网络报文(准确的说是网络设备)消息的处理权。当网卡接收到一个网络报文之后，它会遍历系统中所有已经注册的网络协议，例如以太网协议、x25协议处理模块来尝试进行报文的解析处理，这一点和一些文件系统的挂载相似，就是让系统中所有的已经注册的文件系统来进行尝试挂载，如果哪一个认为自己可以处理，那么就完成挂载。
当抓包模块把自己伪装成一个网络协议的时候，系统在收到报文的时候就会给这个伪协议一次机会，让它来对网卡收到的报文进行一次处理，此时该模块就会趁机对报文进行窥探，也就是把这个报文完完整整的复制一份，假装是自己接收到的报文，汇报给抓包模块。
先看一下网络层对于接收到的报文的处理方法
static int process_backlog(struct net_device *backlog_dev, int *budget)---netif_receive_skb
    list_for_each_entry_rcu(ptype, &ptype_all, list) {
        if (!ptype->dev || ptype->dev == skb->dev) {
            if (pt_prev)
                ret = deliver_skb(skb, pt_prev, orig_dev);
            pt_prev = ptype;
        }
    }
三、协议族的注册
对于这种协议，也只有在需要的时候才注册，因为它毕竟增加了系统报文的处理速度并且会消耗大量的系统skb。当抓包开始的时候，它会创建一个对应的网络套接口，这种套接口的类型就是af_packet类型。相关实现为
linux-2.6.21\net\packet\af_packet.c
static int packet_create(struct socket *sock, int protocol)
    sk->sk_family = PF_PACKET;
    po->num = proto;
……
    po->prot_hook.func = packet_rcv;
……

    if (proto) {
        po->prot_hook.type = proto;
        dev_add_pack(&po->prot_hook);这个接口会将prot_hook注册到前面看到的ptype_all队列中
        sock_hold(sk);
        po->running = 1;
    }
当一个网卡上真正有报文到来的时候，它就会调用这里注册的packet_rcv函数
……
    res = run_filter(skb, sk, snaplen);如果说filter过滤失败，说明是抓包不关心的报文，直接放行，返回值非零表示不关心。
    if (!res)
        goto drop_n_restore;
……
    if (skb_shared(skb)) {
        struct sk_buff *nskb = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);自己复制一份。
        if (nskb == NULL)
            goto drop_n_acct;

        if (skb_head != skb->data) {
            skb->data = skb_head;
            skb->len = skb_len;
        }
        kfree_skb(skb);
        skb = nskb;
    }
四、filter的执行
run_filter--->>sk_run_filter
……

    for (pc = 0; pc < flen; pc++) {
        fentry = &filter[pc];

        switch (fentry->code) {
        case BPF_ALU|BPF_ADD|BPF_X:
            A += X;
            continue;
        case BPF_ALU|BPF_ADD|BPF_K:
            A += fentry->k;
            continue;
……
       
        switch (k-SKF_AD_OFF) {
        case SKF_AD_PROTOCOL:
            A = ntohs(skb->protocol);
            continue;
        case SKF_AD_PKTTYPE:
            A = skb->pkt_type;
            continue;
        case SKF_AD_IFINDEX:
            A = skb->dev->ifindex;
            continue;
        default:
            return 0;
        }
这个函数是执行了一个自己定义的指令集和。用户通过sockopt来注册这段指令，内核在内核态执行这些指令，完成匹配，其中包含了报文某些字段的加载，条件跳转、加减乘除以及返回等指令。当转包套接口接收到报文之后，对这个报文执行这段虚拟程序，直到遇到ret指令作为自己的返回值。通过tcpdump -d 可以显示出编译之后生成的指令，下面是一个测试输出
[root@Harry bash-4.1]# tcpdump -d host 1.2.3.4
tcpdump: WARNING: eth0: no IPv4 address assigned
(000) ldh      [12]
(001) jeq      #0x800           jt 2    jf 6
(002) ld       [26]  加载接收到报文的第26个字节开始的一个int类型，
(003) jeq      #0x1020304       jt 12    jf 4 如果和0x1234相等，跳转到12跳指令，不等继续第四条指令。 
(004) ld       [30]
(005) jeq      #0x1020304       jt 12    jf 13
(006) jeq      #0x806           jt 8    jf 7
(007) jeq      #0x8035          jt 8    jf 13
(008) ld       [28]
(009) jeq      #0x1020304       jt 12    jf 10
(010) ld       [38]
(011) jeq      #0x1020304       jt 12    jf 13
(012) ret      #65535
(013) ret      #0
[root@Harry bash-4.1]# 
五、tcpdump的处理
对于tcpdump来说，命令行输入中除了选项之外的参数都将作为一个语法文件来处理。libcap中定义了自己的词法分析器和语法分析器。其词法分析器为scanner.l，语法分析文件为scanner.l，可见该语言的定义使用了通用的bison和flex的帮助。但是如果使用了这些工具，就意味着一个配置文件就可以写的很复杂，例如syslog-ng配置、ld连接配置脚本、bash脚本等各种语法。
这个语法文件如果感兴趣可以看看说明文档即可。
其中pcap库中没有对网卡的配置，而且tcpdump的命令处理对于-i是覆盖的，所以一次tcpdump只能侦听一个端口。如果命令行没有指定网络设备，pcap会枚举系统中所有的网络设备，然后取出第一个设备(这个顺序在不通的系统有不同排列顺序，看一下tcpdump的输出即可确定是在那个端口)
六、本地报文处理
    if (res.type == RTN_LOCAL) {
        if (!fl.fl4_src)
            fl.fl4_src = fl.fl4_dst;
        if (dev_out)
            dev_put(dev_out);
        dev_out = &loopback_dev;
        dev_hold(dev_out);
        fl.oif = dev_out->ifindex;
        if (res.fi)
            fib_info_put(res.fi);
        res.fi = NULL;
        flags |= RTCF_LOCAL;
        goto make_route;
    }
struct net_device loopback_dev = {
    .name             = "lo",