網路流量抓包庫 gopacket

haolipeng12345發表於2021-03-25
Go

一、gopacket 簡介

1、gopacket 是什麼？

gopacket 是 google 出品的 golang 三方庫，質量還是靠的住，專案地址為：github.com/google/gopacket

gopacket 到底是什麼呢？是個抓取網路資料包的庫，這麼說可能還有點抽象，但是抓包工具大家可能都使用過。

Windows 平臺下有 Wireshark 抓包工具，其底層抓包庫是 npcap（以前是 winpcap）；

Linux 平臺下有 Tcpdump，其抓包庫是 libpcap；

而 gopacket 庫可以說是 libpcap 和 npcap 的 go 封裝，提供了更方便的 go 語言操作介面。

對於抓包庫來說，常規功能就是抓包，而網路抓包有以下幾個步驟：

1、列舉主機上網路裝置的介面

2、針對某一網口進行抓包

3、解析資料包的 mac 層、ip 層、tcp/udp 層欄位等

4、ip 分片重組，或 tcp 分段重組成上層協議如 http 協議的資料

5、對上層協議進行頭部解析和負載部分解析

2、應用場景有哪些？

場景 1：網路流量分析

對網路裝置流量進行實時採集以及資料包分析。

場景 2：偽造資料包

不少網路安全工具，需要偽造網路資料包，填充上必要的協議欄位後傳送給對端裝置，從而達到一些目的。

場景 3：離線 pcap 檔案的讀取和寫入

二、安裝部署

2、1 安裝 libpcap 或 npcap 三方庫

在使用 gopacket 包時，首先要確保在 windows 平臺下安裝了 npcap 或 winpcap，或者是在 linux 平臺下安裝了 libpcap 庫。

npcap 下載地址：https://nmap.org/npcap/

libpcap 下載地址:https://www.tcpdump.org/

下載自己電腦對應的作業系統版本的庫

如果不想從官網下載 libpcap 庫的話，也可以採用 centos 的 yum 命令或 ubuntu 的 apt get 命令來進行安裝。

2、2 安裝 gopacket 庫

go get github.com/google/gopacket

三、使用方法

3、1 列舉網路裝置

package main
import (
    "fmt"
    "log"
    "github.com/google/gopacket/pcap"
)
func main() {
    // 得到所有的(網路)裝置
    devices, err := pcap.FindAllDevs()
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }
    // 列印裝置資訊
    fmt.Println("Devices found:")
    for _, device := range devices {
        fmt.Println("\nName: ", device.Name)
        fmt.Println("Description: ", device.Description)
        fmt.Println("Devices addresses: ", device.Description)
        for _, address := range device.Addresses {
            fmt.Println("- IP address: ", address.IP)
            fmt.Println("- Subnet mask: ", address.Netmask)
        }
    }
}

先呼叫 pcap.FindAllDevs() 獲取當前主機所有的網路裝置，網路裝置有哪些屬性呢？

// Interface describes a single network interface on a machine.
type Interface struct {
    Name        string //裝置名稱
    Description string //裝置描述資訊
    Flags       uint32 
    Addresses   []InterfaceAddress //網口的地址資訊列表
}
// InterfaceAddress describes an address associated with an Interface.
// Currently, it's IPv4/6 specific.
type InterfaceAddress struct {
    IP        net.IP
    Netmask   net.IPMask // Netmask may be nil if we were unable to retrieve it.
    Broadaddr net.IP     // Broadcast address for this IP may be nil
    P2P       net.IP     // P2P destination address for this IP may be nil
}

3、2 開啟一個裝置進行抓包

package main
import (
    "fmt"
    "github.com/google/gopacket"
    "github.com/google/gopacket/pcap"
    "log"
    "time"
)
var (
    device       string = "eth0"
    snapshot_len int32  = 1024
    promiscuous  bool   = false
    err          error
    timeout      time.Duration = 30 * time.Second
    handle       *pcap.Handle
)
func main() {
    // 開啟某一網路裝置
    handle, err = pcap.OpenLive(device, snapshot_len, promiscuous, timeout)
    if err != nil {log.Fatal(err) }
    defer handle.Close()
    // Use the handle as a packet source to process all packets
    packetSource := gopacket.NewPacketSource(handle, handle.LinkType())
    for packet := range packetSource.Packets() {
        // Process packet here
        fmt.Println(packet)
    }
}

1）實時捕獲

2、1 節中我們列舉了當前主機的所有網路裝置，現在需要開啟網路裝置並進行實時捕獲資料包，需呼叫 pcap.OpenLive 來開啟網路裝置，其函式原型如下：

func OpenLive(device string, snaplen int32, promisc bool, timeout time.Duration) (handle *Handle, _ error)

device:網路裝置的名稱，如 eth0,也可以填充 pcap.FindAllDevs() 返回的裝置的 Name

snaplen: 每個資料包讀取的最大長度 the maximum size to read for each packet

promisc:是否將網口設定為混雜模式,即是否接收目的地址不為本機的包

timeout:設定抓到包返回的超時。如果設定成 30s，那麼每 30s 才會重新整理一次資料包；設定成負數，會立刻重新整理資料包，即不做等待

函式返回值：是一個 *Handle 型別的返回值，可能作為 gopacket 其他函式呼叫時作為函式引數來傳遞。

注意事項：

一定要記得釋放掉 handle，如文中的 defer handle.Close()。

2）建立資料包源

packetSource := gopacket.NewPacketSource(handle, handle.LinkType())

第一個引數為 OpenLive 的返回值，指向 Handle 型別的指標變數 handle。

第二個引數為 handle.LinkType() 此引數預設是乙太網鏈路，一般我們抓包，也是從 2 層乙太網鏈路上抓取。

3）讀取資料包

//packetSource.Packets()是個channel型別，此處是從channel型別的資料通道中持續的讀取網路資料包
for packet := range packetSource.Packets() {
        // Process packet here
        fmt.Println(packet)
    }

3、3 解碼資料包的各層

我們可以獲取原始資料包，並嘗試將其強制轉換為已知格式。如 ethernet、IP 和 TCP 層。

Layers 包是 gopacket 的 Go 庫中的新功能，在底層 libpcap 庫中不存在。它是 gopacket 庫的非常有用的一部分。它允許我們輕鬆地識別資料包是否包含特定型別的層。這個程式碼示例將演示如何使用 layers 包來檢視包是否是 ethernet、IP 和 TCP，以及如何輕鬆訪問這些頭中的欄位。

package main
import (
    "fmt"
    "github.com/google/gopacket"
    "github.com/google/gopacket/layers"
    "github.com/google/gopacket/pcap"
    "log"
    "strings"
    "time"
)
var (
    device      string = "eth0"
    snapshotLen int32  = 1024
    promiscuous bool   = false
    err         error
    timeout     time.Duration = 30 * time.Second
    handle      *pcap.Handle
)
func main() {
    // Open device
    handle, err = pcap.OpenLive(device, snapshotLen, promiscuous, timeout)
    if err != nil {log.Fatal(err) }
    defer handle.Close()
    packetSource := gopacket.NewPacketSource(handle, handle.LinkType())
    for packet := range packetSource.Packets() {
        printPacketInfo(packet)
    }
}
func printPacketInfo(packet gopacket.Packet) {
    // Let's see if the packet is an ethernet packet
    // 判斷資料包是否為乙太網資料包，可解析出源mac地址、目的mac地址、乙太網型別（如ip型別）等
    ethernetLayer := packet.Layer(layers.LayerTypeEthernet)
    if ethernetLayer != nil {
        fmt.Println("Ethernet layer detected.")
        ethernetPacket, _ := ethernetLayer.(*layers.Ethernet)
        fmt.Println("Source MAC: ", ethernetPacket.SrcMAC)
        fmt.Println("Destination MAC: ", ethernetPacket.DstMAC)
        // Ethernet type is typically IPv4 but could be ARP or other
        fmt.Println("Ethernet type: ", ethernetPacket.EthernetType)
        fmt.Println()
    }
    // Let's see if the packet is IP (even though the ether type told us)
    // 判斷資料包是否為IP資料包，可解析出源ip、目的ip、協議號等
    ipLayer := packet.Layer(layers.LayerTypeIPv4)
    if ipLayer != nil {
        fmt.Println("IPv4 layer detected.")
        ip, _ := ipLayer.(*layers.IPv4)
        // IP layer variables:
        // Version (Either 4 or 6)
        // IHL (IP Header Length in 32-bit words)
        // TOS, Length, Id, Flags, FragOffset, TTL, Protocol (TCP?),
        // Checksum, SrcIP, DstIP
        fmt.Printf("From %s to %s\n", ip.SrcIP, ip.DstIP)
        fmt.Println("Protocol: ", ip.Protocol)
        fmt.Println()
    }
    // Let's see if the packet is TCP
    // 判斷資料包是否為TCP資料包，可解析源埠、目的埠、seq序列號、tcp標誌位等
    tcpLayer := packet.Layer(layers.LayerTypeTCP)
    if tcpLayer != nil {
        fmt.Println("TCP layer detected.")
        tcp, _ := tcpLayer.(*layers.TCP)
        // TCP layer variables:
        // SrcPort, DstPort, Seq, Ack, DataOffset, Window, Checksum, Urgent
        // Bool flags: FIN, SYN, RST, PSH, ACK, URG, ECE, CWR, NS
        fmt.Printf("From port %d to %d\n", tcp.SrcPort, tcp.DstPort)
        fmt.Println("Sequence number: ", tcp.Seq)
        fmt.Println()
    }
    // Iterate over all layers, printing out each layer type
    fmt.Println("All packet layers:")
    for _, layer := range packet.Layers() {
        fmt.Println("- ", layer.LayerType())
    }
    ///.......................................................
    // Check for errors
    // 判斷layer是否存在錯誤
    if err := packet.ErrorLayer(); err != nil {
        fmt.Println("Error decoding some part of the packet:", err)
    }
}

僅僅以此處 tcp 部分的程式碼詳細解析下

// 判斷資料包是否為TCP資料包，可解析源埠、目的埠、seq序列號、tcp標誌位等
    tcpLayer := packet.Layer(layers.LayerTypeTCP)
    if tcpLayer != nil {
        fmt.Println("TCP layer detected.")
        tcp, _ := tcpLayer.(*layers.TCP)
        fmt.Printf("From port %d to %d\n", tcp.SrcPort, tcp.DstPort)
    }

此處需要研究下原始碼中資料結構，以防理解錯誤

type Packet interface {
    // Layer returns the first layer in this packet of the given type, or nil
    Layer(LayerType) Layer   //根據給定的型別，在資料包中尋找其第一個層
}
//看看Layer的結構
type Layer interface {
    // LayerType is the gopacket type for this layer.
    LayerType() LayerType
    // LayerContents returns the set of bytes that make up this layer.
    LayerContents() []byte
    // LayerPayload returns the set of bytes contained within this layer, not
    // including the layer itself.
    LayerPayload() []byte
}
//tcp資料包格式
type TCP struct {
    BaseLayer
    SrcPort, DstPort                           TCPPort
    Seq                                        uint32
    Ack                                        uint32
    DataOffset                                 uint8
    FIN, SYN, RST, PSH, ACK, URG, ECE, CWR, NS bool
    Window                                     uint16
    Checksum                                   uint16
    Urgent                                     uint16
    sPort, dPort                               []byte
    Options                                    []TCPOption
    Padding                                    []byte
    opts                                       [4]TCPOption
    tcpipchecksum
}

TCP 結構體是實現了 Layer 介面的，其實 Ethernet，IPV4，UDP 等結構體也實現了 Layer 介面

在上述程式碼中，我們呼叫函式時，傳入的 LayerType 協議層的型別為 layers.LayerTypeTCP，函式返回值為 interface 型別，必須轉換成 TCP 結構體

tcp, _ := tcpLayer.(*layers.TCP)

tcp 是 layers.TCP 這個具體型別的指標，通過 tcp 則可以獲取資料包中 tcp 協議的相關欄位。

3、4 自定義層

自定義層有助於實現當前不包含在 gopacket layers 包中的協議。

import (
    "fmt"
    "github.com/google/gopacket"
)
// 建立自定義層資料結構，並實現Layer介面中的函式LayerType()、LayerContents()、LayerPayload()
type CustomLayer struct {
    // This layer just has two bytes at the front
    SomeByte    byte
    AnotherByte byte
    restOfData  []byte
}
// 註冊自定義層型別，然後我們才可以使用它
// 第一個引數是ID. 自定義層使用大於2000的數字，它必須是唯一的
var CustomLayerType = gopacket.RegisterLayerType(
    2001,
    gopacket.LayerTypeMetadata{
        "CustomLayerType",
        gopacket.DecodeFunc(decodeCustomLayer),
    },
)

//自定義層實現LayerType
func (l CustomLayer) LayerType() gopacket.LayerType {
    return CustomLayerType
}

//自定義層實現LayerContents
func (l CustomLayer) LayerContents() []byte {
    return []byte{l.SomeByte, l.AnotherByte}
}

//自定義層實現LayerPayload
func (l CustomLayer) LayerPayload() []byte {
    return l.restOfData
}

//實現自定義的解碼函式
func decodeCustomLayer(data []byte, p gopacket.PacketBuilder) error {
    p.AddLayer(&CustomLayer{data[0], data[1], data[2:]})
    return p.NextDecoder(gopacket.LayerTypePayload)
}
func main() {
    rawBytes := []byte{0xF0, 0x0F, 65, 65, 66, 67, 68}
    packet := gopacket.NewPacket(
        rawBytes,
        CustomLayerType,
        gopacket.Default,
    )
    fmt.Println("Created packet out of raw bytes.")
    fmt.Println(packet)
    // Decode the packet as our custom layer
    customLayer := packet.Layer(CustomLayerType)
    if customLayer != nil {
        fmt.Println("Packet was successfully decoded with custom layer decoder.")
        customLayerContent, _ := customLayer.(*CustomLayer)
        // Now we can access the elements of the custom struct
        fmt.Println("Payload: ", customLayerContent.LayerPayload())
        fmt.Println("SomeByte element:", customLayerContent.SomeByte)
        fmt.Println("AnotherByte element:", customLayerContent.AnotherByte)
    }
}

結合上述程式碼可知，實現自定義的層需要 3 步：

1、建立自定義層的結構體，並實現 Layer 介面中的函式 LayerType()、LayerContents()、LayerPayload()

2、按照解碼函式簽名來實現自定義解碼函式，名稱可自行命名。

解碼函式簽名如下：

type DecodeFunc func([] byte, PacketBuilder) error

3、使用 gopacket.RegisterLayerType 函式來註冊自定義層

3、5 TCP 流重組

為什麼需要 tcp 流重組？

package main

import (
    "bufio"
    "flag"
    "io"
    "log"
    "net/http"
    "time"

    "github.com/google/gopacket"
    "github.com/google/gopacket/examples/util"
    "github.com/google/gopacket/layers"
    "github.com/google/gopacket/pcap"
    "github.com/google/gopacket/tcpassembly"
    "github.com/google/gopacket/tcpassembly/tcpreader"
)

var iface = flag.String("i", "eth0", "Interface to get packets from")
var snaplen = flag.Int("s", 1600, "SnapLen for pcap packet capture")

// Build a simple HTTP request parser using tcpassembly.StreamFactory and tcpassembly.Stream interfaces

// httpStreamFactory implements tcpassembly.StreamFactory
type httpStreamFactory struct{}

// httpStream will handle the actual decoding of http requests.
type httpStream struct {
    net, transport gopacket.Flow
    r              tcpreader.ReaderStream
}

func (h *httpStreamFactory) New(net, transport gopacket.Flow) tcpassembly.Stream {
    hstream := &httpStream{
        net:       net,
        transport: transport,
        r:         tcpreader.NewReaderStream(),
    }
    go hstream.run() // Important... we must guarantee that data from the reader stream is read.

    // ReaderStream implements tcpassembly.Stream, so we can return a pointer to it.
    return &hstream.r
}

func (h *httpStream) run() {
    buf := bufio.NewReader(&h.r)
    for {
        req, err := http.ReadRequest(buf)
        if err == io.EOF {
            // We must read until we see an EOF... very important!
            return
        } else if err != nil {
            log.Println("Error reading stream", h.net, h.transport, ":", err)
        } else {
            bodyBytes := tcpreader.DiscardBytesToEOF(req.Body)
            req.Body.Close()
            log.Println("Received request from stream", h.net, h.transport, ":", req, "with", bodyBytes, "bytes in request body")
        }
    }
}

func main() {
    defer util.Run()()
    var handle *pcap.Handle
    var err error

    // Set up pcap packet capture
    handle, err = pcap.OpenLive(*iface, int32(*snaplen), true, pcap.BlockForever)
    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    // Set up assembly
    streamFactory := &httpStreamFactory{}
    streamPool := tcpassembly.NewStreamPool(streamFactory)
    assembler := tcpassembly.NewAssembler(streamPool)

    // Read in packets, pass to assembler.
    packetSource := gopacket.NewPacketSource(handle, handle.LinkType())
    packets := packetSource.Packets()
    ticker := time.Tick(time.Minute)
    for {
        select {
        case packet := <-packets:
            if packet.NetworkLayer() == nil || packet.TransportLayer() == nil || packet.TransportLayer().LayerType() != layers.LayerTypeTCP {
                log.Println("Unusable packet")
                continue
            }
            tcp := packet.TransportLayer().(*layers.TCP)
            //將資料包進行重組
            assembler.AssembleWithTimestamp(packet.NetworkLayer().NetworkFlow(), tcp, packet.Metadata().Timestamp)

        case <-ticker:
            //每隔一分鐘，重新整理之前兩分鐘內不活動的連線
            assembler.FlushOlderThan(time.Now().Add(time.Minute * -2))
        }
    }
}

基本步驟如下：

1、建立 httpStreamFactory 結構體，實現 tcpassembly.StreamFactory 介面

2、建立連線池

streamPool := tcpassembly.NewStreamPool(streamFactory)

3、建立重組器

assembler := tcpassembly.NewAssembler(streamPool)

4、將資料包新增到重組器中

assembler.AssembleWithTimestamp(packet.NetworkLayer().NetworkFlow(), tcp, packet.Metadata().Timestamp)

三、總結

首先，gopacket 庫是 google 大廠背書，從使用文件、質量、社群活躍度來說都很不錯

其次，使用方式簡單，擴充套件性好。gopacket 提供了自定義的介面，可根據自身需要進行定製化開發

最後，gopacket 定義的 layers 齊全，如果是實時捕獲資料後進行協議解析，採用其內建的 layer 即可，無需自己手動去解析繁雜的協議了。

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