网络数据包截获机制

网络数据截获方法
网络数据包截获机制是网络入侵检测系统的基础组件。一般指通过截获整个网络的所有信息流量，根据信息源主机，目标主机，服务协议端口等信息简单过滤掉不关心的数据，再将用户感兴趣的数据发送给更高层的应用程序进行分析。流程图如下：
图5.1 网络数据截获流程
一方面要，网络截取模块要能保证截取到所有网络上的数据包，尤其是检测到被分片的数据包(这可能蕴涵着攻击)。
另方面，数据截取模块截取数据包的效率也是很重要的。
它直接影响整个入侵检测系统的运行速度。
5.2各种数据流截获方法
5.2.1 利用广播截取网络数据流
数据包的截取技术是依赖网卡的。而网卡可以通过广播监听到以太网络上的数据包，这就是数据包截取技术的基础。
要想截获不是给自己数据流，就必须绕开系统正常工作的机制，直接通过网卡的混杂模式，使之可以接受目标地址不是自己的MAC地址的数据包，直接访问数据链路层，取数据。
5.2.2各系统截取数据包机制
Linux系统为用户提供一种在理论上是数据链路层的，基于网卡驱动程序的，可以不用操作系统自身协议栈的接口（也称套接字）-SockPacket. 这种套接字可以从数据链路层（就是网线）上直接截取所有链路层数据包。而Unix则是通过Libpcap库直接与内核交互，实现网络截取。如：Libpcap，Tcpdump等。如图：

图5.2 Unix系统监听机制

BSD Packet Filter(BPF)机制来截取数据包。BPF可以说是各系统中最棒的截获方式。很多开源嗅探工具就是基于它而开发的。Windows系统也有类似情况，如：win系列上有*.vxd (VxD,VirtualDeviceDrive)（packet*.vxd） 和 网卡.sys（为网卡芯片所开发）来驱动网卡截取数据包。

图5.3 Windows系统监听机制
5.2.3 BPF过滤
Unix&Linux系统有两种数据链路层截取机制，分别是BSD系列系统(NetBSD,OpenBSD,FreeBSD等)的BPF和Linux的SOCKET_PACKET。
BPF过滤
BPF主要由两大部分组成：
网络头接口
数据包过滤器。
网络头接口从网络设备驱动程序处收集数据包复制(在提交给系统协议栈之前)，并传递给正在截获数据包的应用程序。而过滤器决定某一数据包是被接受或者拒绝以及如果被接受，数据包的那些部分会被复制给应用程序。BPF结构图如下：

图5.4 BPF结构示意图
如：TCPDump注：（1）, Libpcap, Sniffer, eeye,等。一般情况，网卡驱动通过网卡把网络上的电平信号转化成数据包，再把截取到的数据传给系统自带的协议栈，然后在交由系统处理。这种方式与Unix下的BPF不同，它使得网卡驱动在把从网络截取的数据提交给系统之前，先拷贝一份给BPF，再由BPF 决定是否符合规则，不符合则丢弃，符合则存放到内存指定区，等待处理。
当然，BPF对网卡驱动交给系统协议栈的数据包不做任何干涉。
注1：TCPDump是伯克利实验室的Van Jacobson,Craig Leres和Stenven McCanne为分析TCP性能问题而写的跨平台的监听程序。
5.3基于Libpcap库的通用数据截获技术
Libpcap是用户态的数据包截获API函数接口，有独立和可移植行。最初，Libpcap是为了强大的，健壮TCPDump而编写的。它支持BPF过滤机制。Snort就是依赖于libpcap库进行数据包截取的程序之一(还有Ethereal,eeye等)。 它的优点是可以从任何Unix内核平台上截取数据包，而不考虑什么芯片类型的网卡和驱动程序。更重要的是，它可以使开发人员编写自己的解码，显示，记录等程序。
5.2.2.1 Libpcap库主要函数
1. 头文件特征（pcap.h）
Libpcap库(数据流存储头文件的结构定义如下图)。前半部分是数据库存储文件头的数据结构定义。

图5.5 头文件(pcap.h)定义部分截图
后半部是信息包头文件数据结构定义。
2. 打开并读取设备，设置过滤器部分
与最基层设备打交道。有三个函数：pcap_read() pcap_open_live 和 pcap_setfilter()
3. 脱机方式截取数据
及读取存储在营盘上的文件。有两个Pcap_open_offline()和Pcap_offline_read().
4. 本地网络设置检测部分
主要检测网络设置的函数有几个，包括Pcap_lookupdev() pcap_lookupnet()等。 因为前面提过，Libpcap可移植。所以各种平台的Socket借口都是兼容的。
5. 主程序
都在Pcap.c中，该文件定义了读取数据的统一接口函数pcap_next()，调用此函数获取下一个数据包。
5.4 Snort调用Libpcap
在Snort运行启动时，Snort调用Libpcap库。当调用libpcap函数并初始化接口时，进入截取数据的循环模块—pcap循环。
在这个主循环—Pcaploop()，当网卡从网络介质上接收数据开始，Pcap_loop便对采集来的每个数据包都ProcessPacket()函数处理，如果出错或达到指定的处理包数就退出。(相关代码如下)
具体就是，Pcap_loop()最后根据数据链路类型来选择数据包，然后由ProcessPacket()来进行协议分析，实施信息流的匹配。
如：ProcessPaceket函数调用DecodeEthPkt函数来对以太网数据进行解码。其中DecodeEthPkt()函数再调用子函数Decode IP来对IP协议进行解码……
Libpcap函数功能列举：
Pcap_open_live(): 获得数据包通用句柄。
Pcap_lookup_dev(): 指向网络可用设备。
Pcap_looknet(): 初步判断网络设备本身的IP & netmask。
Pcap_Dump(): 基于TCPDump的，将网络数据包保存成文件。
程序部分代码如下：
/* Read all packets on the device. Continue until cnt packets read */

pcap_loop(pcap_t *p, int cnt, pcap_handler callback, u_char *user)
{
register int n;

for (; { //for循环
if (p->sf.rfile != NULL) {
n = pcap_offline_read(p, cnt, callback, user);
} else {
// XXX keep reading until we get something
do {
n = p->read_op(p, cnt, callback, user);
} while (n == 0);
}
if (n <= 0)
return (n); //遇错误，返回
if (cnt > 0) {
cnt -= n;
if (cnt <= 0)
return (0); //达到制定数量，返回
}
}
}
pcap_loop()有几个重要参数：
参数是pv.pkt_cnt，表示总共要捕捉的包的数量。在main函数初始化时，缺省设置为-1，成为永真循环，一直捕捉直到程序退出：
/* initialize the packet counter to loop forever */
pv.pkt_cnt = -1;
或者在命令行中设置要捕捉的包的数量。ParseCmdLine函数的调用中，遇到参数n，重新设定pv.pkt_cnt的值。ParseCmdLine中相关语句如下：
case 'n': /* grab x packets and exit */
pv.pkt_cnt = atoi(optarg);
Snort.c主程序中，Pcap_loop()函数有两种提取数据模式：
打开网卡和打开文件。
/* get the device file descriptor，打开网卡接口 */

pd = pcap_open_live(pv.interface, snaplen,
pv.promisc_flag ? PROMISC : 0, READ_TIMEOUT, errorbuf);
或者
/* open the file，打开文件 */

pd = pcap_open_offline(intf, errorbuf);
只有以上两种返回情况。
Snort把真实的数据包存储在内存中指针指向的数据结构中。在decode.h中，定义了所有Snort要使用到的数据结构，包括Tcp,Ip,以太桢，vlan桢等。Snort的这些结构将指针指向截获的包上来代表相应的协议。如指向以太桢用数据指针使用_EthrHdr头。
数据结构：
Typededf struct _etherhdr
{
u_int8_t ether_dst[6]; //目的地址;
u_int8_t ether_src[6]; //源地址;
u_int16_t ether_type; //协议类型;
}
typedef struct _Tcphdr
{
u_int16_t th_sport; //源端口;
u_int16_t th_dport; //目端口;
u_int32_t th_seq; //sequence number;
u_int32_t th_ack; //acknowledgement number;
u_int8_t th_offx2; //offset and reserved;
u_int8_t th_flags; //flags;
u_int16_t th_win; //window;
u_int16_t th_sum; //checksum;
u_int16_t th_urp; //urgent pointer;
}
小结
网络数据的截取是入侵检测系统的基础。本节从网络数据截取机制开始讲，讲述了常见的两种机制。重点讲述了Libpcap库的网络数据包截取机制。

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