构建基于Linux系统的包过滤型防火墙(2)

三、基于Linux的数据包捕获模块结构与原理分析

本节就监控层数据包捕获模块的结构特性进行探讨，并详细论述其原理，且对实现数据包捕获功能的程序的一些重要函数进行说明。

1、数据包捕获模块结构

数据包捕获模块用于监视和验证网络流量情况，它可以截取或者阅读网络上OSI协议模型中各个协议层次上的数据包。

本文所设计的数据包捕获程序可以捕获通过原始套接口(Socket)的原始数据包(Raw Packet)，当一个数据包到达网络接口时，数据包捕获程序就直接从缓存区读取捕获的数据包，以供数据分析和处理时调用。数据捕获模块的结构如图1所示：

2、数据包捕获模块原理分析

（1）网卡设置原理

在一个实际的系统中，数据的收发是由网卡来完成的，网卡接收到传输来的数据，网卡内的程序接收数据帧的目的MAC地址，根据计算机上的网卡驱动程序设置的 接收模式判断该不该接收，认为不该接收就丢掉不管。而对于网卡来说一般有四种接收模式：广播模式组播模式、直接方式、混杂模式。数据包捕获程序首先使网络 接口(网卡)处于混杂状态，从而可截获网络上的内容，并且通过相应的软件处理，可以实时分析这些数据的内容，为数据包过滤作准备。

（2）基本函数说明

本文中在Linux主机上用C语言编写数据包捕获程序，所编写的程序中用到很多Linux中的预定义函数，在此节将对这些基本函数的功能和使用特点进行说明。

1）ioctl函数定义

ioctl()函数非常庞杂，它可以控制各种文件的属性。它用于控制特殊文件的底层设备参数，这些特殊文件通常是指终端、套接字和接口。ioctl函数原型为：int ioctl(int handle,int cmd[,int *argdx,int argcx])；

2）socket函数定义

常用的Socket类型有两种：流式Socket(SOCK_STREAM)和数据包式Socket (SOCK_DGRAM)。流式是一种面向连接的Socket，针对面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是一种无连接的Socket，针对无 连接的UDP服务应用。Socket函数原型为：int socket(int domain, int type,int protocol)；

3）recvfrom()函数定义

用recvfrom()函数来实现接收数据包，recvfrom()是具备“阻塞式I/O”特性的函数，能够在没有数据包到达的情况下暂时挂起等待，直至接收到数据包后，再激活转入下一步处理。recvfrom()函数的原型为：

　　
　　int recvfrom(SOCKET s,char FAR *buf,int len,
int flags,struct sockaddr FAR *from,int *fromlen)；
　

本函数从已连接套接口上接收数据，并捕获数据发送源的地址。对于SOCK_STREAM类型的套接口，最多可以接收缓冲区大小个数据。如果套接口被设置为 线内接收带外数据(选项为 SO_OOBINLINE)，且有带外数据未读入，则返回带外数据。应用程序可通过调用ioctlsocket()的SOCATMARK命令来确定是否有 带外数据待读入。对于SOCK_STREAM类型套接口，忽略from和fromlen参数。

4）一些“字节顺序”转换函数

因为网络和主机采用的存储字节时内存顺序安排方式的差异，就存在“字节顺序”的问题。在网络环境下存储时，高位字节存放在内存的起始位置，而低字节则存放 在较高的位置。主机形式的存放顺序恰好相反，低位字节存放在内存的起始位置。这就需要以下相应的字节顺序转换函数：

inet_ntoa()：将32位的网络二进制数值转换为可读十进制形式的带点分割符的IP地址。

inet_addr()：将带有分割符的IP地址转换为32位的unsigned long的格式。

ntohs()：将网络字节顺序转换为32位的主机字节顺序。

ntohl()：将网络字节顺序转换成16位的主机字节顺序。

htonl()：将32位u_long的值由主机字节顺序转换为网络字节顺序。

htons()：将16位u_long的值由主机字节顺序转换为网络字节顺序。

本文设计的数据捕获程序需要使用SOCK_PACKET设备，SOCK_PACKET只在基于Linux的操作系统中有效定义。为此，美国洛仑兹伯克利国 家实验室编写了专用于数据包截获的API函数库“Libpcap”。该函数的设计目标是统一不同系统上所提供的用于数据包截获的不同类型接口，并使得类似 的高层应用程序的编写和移植变得简单有效，不再需要对每一个应用都使用不同的依赖于具体系统的数据包截获模块。