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 etpacketaf_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
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 etpacketaf_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
static int tpacket_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev) { struct sock *sk; struct packet_sock *po; struct sockaddr_ll *sll; union tpacket_uhdr h; u8 *skb_head = skb->data; int skb_len = skb->len; unsigned int snaplen, res; unsigned long status = TP_STATUS_USER; unsigned short macoff, netoff, hdrlen; struct sk_buff *copy_skb = NULL; struct timespec ts; __u32 ts_status; bool is_drop_n_account = false; bool do_vnet = false; /* struct tpacket{2,3}_hdr is aligned to a multiple of TPACKET_ALIGNMENT. * We may add members to them until current aligned size without forcing * userspace to call getsockopt(..., PACKET_HDRLEN, ...). */ BUILD_BUG_ON(TPACKET_ALIGN(sizeof(*h.h2)) != 32); BUILD_BUG_ON(TPACKET_ALIGN(sizeof(*h.h3)) != 48); if (skb->pkt_type == PACKET_LOOPBACK) goto drop; sk = pt->af_packet_priv; po = pkt_sk(sk); if (!net_eq(dev_net(dev), sock_net(sk))) goto drop; if (dev->header_ops) { if (sk->sk_type != SOCK_DGRAM) skb_push(skb, skb->data - skb_mac_header(skb)); else if (skb->pkt_type == PACKET_OUTGOING) { /* Special case: outgoing packets have ll header at head */ skb_pull(skb, skb_network_offset(skb)); } } snaplen = skb->len; res = run_filter(skb, sk, snaplen); if (!res) goto drop_n_restore; /* If we are flooded, just give up */ if (__packet_rcv_has_room(po, skb) == ROOM_NONE) { atomic_inc(&po->tp_drops); goto drop_n_restore; } if (skb->ip_summed == CHECKSUM_PARTIAL) status |= TP_STATUS_CSUMNOTREADY; else if (skb->pkt_type != PACKET_OUTGOING && (skb->ip_summed == CHECKSUM_COMPLETE || skb_csum_unnecessary(skb))) status |= TP_STATUS_CSUM_VALID; if (snaplen > res) snaplen = res; if (sk->sk_type == SOCK_DGRAM) { macoff = netoff = TPACKET_ALIGN(po->tp_hdrlen) + 16 + po->tp_reserve; } else { unsigned int maclen = skb_network_offset(skb); netoff = TPACKET_ALIGN(po->tp_hdrlen + (maclen < 16 ? 16 : maclen)) + po->tp_reserve; if (po->has_vnet_hdr) { netoff += sizeof(struct virtio_net_hdr); do_vnet = true; } macoff = netoff - maclen; } if (po->tp_version <= TPACKET_V2) { if (macoff + snaplen > po->rx_ring.frame_size) { if (po->copy_thresh && atomic_read(&sk->sk_rmem_alloc) < sk->sk_rcvbuf) { if (skb_shared(skb)) { copy_skb = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC); } else { copy_skb = skb_get(skb); skb_head = skb->data; } if (copy_skb) skb_set_owner_r(copy_skb, sk); } snaplen = po->rx_ring.frame_size - macoff; if ((int)snaplen < 0) { snaplen = 0; do_vnet = false; } } } else if (unlikely(macoff + snaplen > GET_PBDQC_FROM_RB(&po->rx_ring)->max_frame_len)) { u32 nval; nval = GET_PBDQC_FROM_RB(&po->rx_ring)->max_frame_len - macoff; pr_err_once("tpacket_rcv: packet too big, clamped from %u to %u. macoff=%u ", snaplen, nval, macoff); snaplen = nval; if (unlikely((int)snaplen < 0)) { snaplen = 0; macoff = GET_PBDQC_FROM_RB(&po->rx_ring)->max_frame_len; do_vnet = false; } } spin_lock(&sk->sk_receive_queue.lock); h.raw = packet_current_rx_frame(po, skb, TP_STATUS_KERNEL, (macoff+snaplen)); if (!h.raw) goto drop_n_account; if (po->tp_version <= TPACKET_V2) { packet_increment_rx_head(po, &po->rx_ring); /* * LOSING will be reported till you read the stats, * because it's COR - Clear On Read. * Anyways, moving it for V1/V2 only as V3 doesn't need this * at packet level. */ if (atomic_read(&po->tp_drops)) status |= TP_STATUS_LOSING; } if (do_vnet && virtio_net_hdr_from_skb(skb, h.raw + macoff - sizeof(struct virtio_net_hdr), vio_le(), true, 0)) goto drop_n_account; po->stats.stats1.tp_packets++; if (copy_skb) { status |= TP_STATUS_COPY; __skb_queue_tail(&sk->sk_receive_queue, copy_skb); } spin_unlock(&sk->sk_receive_queue.lock); skb_copy_bits(skb, 0, h.raw + macoff, snaplen); if (!(ts_status = tpacket_get_timestamp(skb, &ts, po->tp_tstamp))) getnstimeofday(&ts); status |= ts_status; switch (po->tp_version) { case TPACKET_V1: h.h1->tp_len = skb->len; h.h1->tp_snaplen = snaplen; h.h1->tp_mac = macoff; h.h1->tp_net = netoff; h.h1->tp_sec = ts.tv_sec; h.h1->tp_usec = ts.tv_nsec / NSEC_PER_USEC; hdrlen = sizeof(*h.h1); break; case TPACKET_V2: h.h2->tp_len = skb->len; h.h2->tp_snaplen = snaplen; h.h2->tp_mac = macoff; h.h2->tp_net = netoff; h.h2->tp_sec = ts.tv_sec; h.h2->tp_nsec = ts.tv_nsec; if (skb_vlan_tag_present(skb)) { h.h2->tp_vlan_tci = skb_vlan_tag_get(skb); h.h2->tp_vlan_tpid = ntohs(skb->vlan_proto); status |= TP_STATUS_VLAN_VALID | TP_STATUS_VLAN_TPID_VALID; } else { h.h2->tp_vlan_tci = 0; h.h2->tp_vlan_tpid = 0; } memset(h.h2->tp_padding, 0, sizeof(h.h2->tp_padding)); hdrlen = sizeof(*h.h2); break; case TPACKET_V3: /* tp_nxt_offset,vlan are already populated above. * So DONT clear those fields here */ h.h3->tp_status |= status; h.h3->tp_len = skb->len; h.h3->tp_snaplen = snaplen; h.h3->tp_mac = macoff; h.h3->tp_net = netoff; h.h3->tp_sec = ts.tv_sec; h.h3->tp_nsec = ts.tv_nsec; memset(h.h3->tp_padding, 0, sizeof(h.h3->tp_padding)); hdrlen = sizeof(*h.h3); break; default: BUG(); } sll = h.raw + TPACKET_ALIGN(hdrlen); sll->sll_halen = dev_parse_header(skb, sll->sll_addr); sll->sll_family = AF_PACKET; sll->sll_hatype = dev->type; sll->sll_protocol = skb->protocol; sll->sll_pkttype = skb->pkt_type; if (unlikely(po->origdev)) sll->sll_ifindex = orig_dev->ifindex; else sll->sll_ifindex = dev->ifindex; smp_mb(); #if ARCH_IMPLEMENTS_FLUSH_DCACHE_PAGE == 1 if (po->tp_version <= TPACKET_V2) { u8 *start, *end; end = (u8 *) PAGE_ALIGN((unsigned long) h.raw + macoff + snaplen); for (start = h.raw; start < end; start += PAGE_SIZE) flush_dcache_page(pgv_to_page(start)); } smp_wmb(); #endif if (po->tp_version <= TPACKET_V2) { __packet_set_status(po, h.raw, status); sk->sk_data_ready(sk); } else { prb_clear_blk_fill_status(&po->rx_ring); } drop_n_restore: if (skb_head != skb->data && skb_shared(skb)) { skb->data = skb_head; skb->len = skb_len; } drop: if (!is_drop_n_account) consume_skb(skb); else kfree_skb(skb); return 0; drop_n_account: spin_unlock(&sk->sk_receive_queue.lock); atomic_inc(&po->tp_drops); is_drop_n_account = true; sk->sk_data_ready(sk); kfree_skb(copy_skb); goto drop_n_restore; }
static unsigned int run_filter(struct sk_buff *skb, const struct sock *sk, unsigned int res) { struct sk_filter *filter; rcu_read_lock(); filter = rcu_dereference(sk->sk_filter); if (filter != NULL) res = bpf_prog_run_clear_cb(filter->prog, skb); rcu_read_unlock(); return res; }
……
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