Linux環(huán)境下基于Raw socket技術(shù)的多線程追擊抓包法

摘要：抓包分析工具一直是維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全分析網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必備的工具，但隨著網(wǎng)絡(luò)硬件的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)速度得到大幅提高，從以前的10MHUB到現(xiàn)在的千兆交換機(jī)，基于libpcap的抓包分析工具丟包率越來越大，如何使抓包工具支持百兆千兆網(wǎng)卡交換機(jī)的同時減少丟包率，對網(wǎng)絡(luò)安全的維護(hù)有很大作用。本文通過比較傳統(tǒng)Lipcap抓包技術(shù)，發(fā)現(xiàn)所存在的弊端，認(rèn)真研究raw socket，并通過改進(jìn)多線程對共享數(shù)據(jù)的訪問方式來減少處理線程對抓包線程的影響，提高抓包的速度并達(dá)到減少丟包率的目的。

關(guān)鍵詞：抓包；多線程；Raw socket技術(shù)；共享數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP302.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 17-0000-02

1 引言

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)已成為信息交換的主要手段，一些網(wǎng)絡(luò)支付業(yè)務(wù)地興起對網(wǎng)絡(luò)安全提出了較高的要求。同時，黑客對網(wǎng)絡(luò)的攻擊從未停止，網(wǎng)絡(luò)安全問題日趨嚴(yán)峻。因此，如何加強網(wǎng)絡(luò)的安全維護(hù)，使抓包工具在支持百兆千兆網(wǎng)卡交換機(jī)的同時減少丟包率，對于保障網(wǎng)絡(luò)安全有重要的現(xiàn)實意義。本文通過比較傳統(tǒng)的lipcap抓包技術(shù)，找出所存在的弊端，認(rèn)真研究raw socket，并通過改進(jìn)多線程對共享數(shù)據(jù)的訪問方式，減少處理包線程對抓包線程的影響來提高抓包的速度，從而達(dá)到減少丟包率的目的。

2 傳統(tǒng)的libpcap抓包技術(shù)的弊端

Libpcap是unix / linux平臺下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包捕獲函數(shù)包，提供了系統(tǒng)獨立的用戶級別網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包捕獲接口，可在絕大多數(shù)類unix平臺下工作。但是由于它沒有提供設(shè)置抓包緩存大小的接口，只有32K的內(nèi)核緩存和32K的用戶緩存，存在一定的局限性。每次調(diào)用系統(tǒng)進(jìn)行讀寫時，只能存取32K的數(shù)據(jù)，在高速網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)用系統(tǒng)讀寫的次數(shù)顯著增多，丟包率也相應(yīng)增高，因此不能滿足大數(shù)據(jù)量的高速網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

Libpcap-mmap是libpcap的改進(jìn)版本，它提供了一個大小可配置的循環(huán)緩沖器，并采用了mmap系統(tǒng)調(diào)用，完成數(shù)據(jù)包從內(nèi)核到用戶層的傳遞，允許用戶程序和內(nèi)核程序同時對該循環(huán)緩沖器的不同數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行直接的讀取，但是緩沖器必須在抓包開始就創(chuàng)建，耗費空間，當(dāng)緩沖器一個為滿另一個為空時，還要對兩個緩沖器做調(diào)換操作，勢必會影響它的性能。所以一般 linux下的抓包工具都有很嚴(yán)重的丟包問題

3 基于Raw socket多線程設(shè)計思想及改進(jìn)

3.1 Raw socket介紹

Raw socket（原始套接字）可以接收本機(jī)網(wǎng)卡上的數(shù)據(jù)幀或數(shù)據(jù)包，對監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的流量和分析是很有作用的。因其可以自如地控制系統(tǒng)下的多種協(xié)議，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)底層中傳輸機(jī)制的控制，所以應(yīng)用原始套接字來操縱網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層應(yīng)用。

3.2 多線程設(shè)計思想及改進(jìn)

網(wǎng)絡(luò)中的抓包程序性能，很大程度上取決于抓包線程保存包的速度，因此要盡量減少從Raw socket中讀包并保存的線程的工作量。在此我們采用多線程技術(shù)，將抓包與處理包分開，抓包線程將包保存到一個位置，處理線程到指定位置去處理包，此時抓包線程和處理線程就存在訪問共享數(shù)據(jù)的問題。一般情況下需要加鎖，但加鎖勢必會讓抓包線程受到處理線程的影響，為了超過libpcap的抓包速度，這里我們設(shè)計了線程追擊法實現(xiàn)不加鎖的多線程互斥訪問共享內(nèi)存。

基本思想如下：

先創(chuàng)建一個全局的指針數(shù)組保存所有抓到的包在內(nèi)存中保存的地址，將這個數(shù)組看成一個環(huán)，定義變量pos_c 表示抓包線程當(dāng)前處理的位置，pos_h表示處理線程當(dāng)前正在處理的位置，初始狀態(tài)pos_c=pos_h = 0，如圖1A所示。

當(dāng)抓包線程收到一個包之后，分配空間保存此包，當(dāng)前處理的數(shù)組的位置為 poc_c++，當(dāng)達(dá)到最大下標(biāo)時則變?yōu)?，當(dāng)它的下一個位置==poc_h時，說明數(shù)組已滿，則暫停抓包，如圖1B所示。

當(dāng)poc_c ！= poc_h時，處理線程開始工作，每處理完一個包poc_h++，并釋放該包內(nèi)存，已到最大下標(biāo)時則變?yōu)?，一直處理到 pos_c == poc_h時，如圖1C所示。

4 多線程編程的具體實現(xiàn)

4.1 抓包線程

抓包線程只做定義 raw socket接收包和保存包的功能，為減少丟包的可能，必須首先提高抓包線程的優(yōu)先級。這里只說明接收包和保存包到packet數(shù)組的實現(xiàn)：

接收包：

定義一個收包的緩存區(qū)，這里定義一個最大包長度的字符數(shù)組 buff；

Char buff[65535]；

用一個死循環(huán)來接收 raw socket的包，具體代碼見圖2A。

4.2 處理線程

此處只說明處理線程讀取包的過程，略去具體處理和釋放的代碼。具體代碼見圖2B。

5 總結(jié)

本文在采用多線程抓包時，利用線程追擊法避免抓包線程和處理線程訪問共享的數(shù)據(jù)（包的地址）加鎖，從而提高抓包的速度。同時，利用raw socket原生套接字來接收包，從而解決linux平臺下libpcap不能設(shè)置緩存大小而丟包的問題。具體包的處理不在此文的討論范圍，具體程序退出等其他的控制細(xì)節(jié)也未詳細(xì)討論，代碼都在linux下調(diào)試可行，僅供參考。另在處理時，也可以采用多線程同時處理的方法，這些處理線程同時在從packet數(shù)組中讀包時需要加一個鎖，但是不影響抓包線程的抓包，從而達(dá)到提高速度的目的。

參考文獻(xiàn)：

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