Apr 16, 2026

miniyuan

计算机网络 Lab4 路由协议

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libpcap 库

libpcap 的整体执行流程如下：

核心数据结构

1. 会话句柄

   typedef struct pcap pcap_t;           // 捕获会话句柄（不透明结构）
   typedef struct pcap_dumper pcap_dumper_t;  // 转储文件句柄

   注：句柄可以类比函数指针，但是不完全相同。函数指针是内存地址，可以直接调用；句柄只是一个对象的标识，只能传入接口函数由其内部调用，实际上它可能是函数指针也可能仅仅是一个整数标识符。

2. 数据包头部

   struct pcap_pkthdr {
       struct timeval ts;        /* 时间戳（捕获时间） */
       bpf_u_int32 caplen;       /* 实际捕获的数据长度（可能截断） */
       bpf_u_int32 len;          /* 数据包原始长度 */
   };

   其中：

   #include <sys/time.h>
   
   struct timeval {
       time_t      tv_sec;       // 秒数（从 1970-01-01 00:00:00 UTC 开始）
       suseconds_t tv_usec;      // 微秒数（0-999999）
   };

   注：caplen $\leqslant$ len，当设置 snaplen 截断捕获时，两者可能不等。

3. 回调函数

   在抓到包后调用，按用户自定义的方式处理数据包。

   typedef void (*pcap_handler)(u_char *user, const struct pcap_pkthdr *h, 
                               const u_char *bytes);

   • user：用户自定义数据
   • h：libpcap 提供的数据包的头部
   • bytes：libpcap 提供的数据包的实际内容（以太网帧开始）

4. BPF 过滤器程序

   伯克利数据包过滤器（Berkeley Packet Filter）。

   struct bpf_program {
       u_int bf_len;             /* 指令数量 */
       struct bpf_insn *bf_insns;/* 指向过滤指令数组的指针 */
   };

5. 网络设备信息

   typedef struct pcap_if {
       struct pcap_if *next;     /* 下一个设备 */
       char *name;               /* 设备名（如 "eth0"） */
       char *description;        /* 设备描述 */
       struct pcap_addr *addresses; /* 地址列表 */
       u_int flags;              /* 标志（PCAP_IF_LOOPBACK等） */
   } pcap_if_t;

6. 统计信息

   struct pcap_stat {
       u_int ps_recv;            /* 收到的包数 */
       u_int ps_drop;            /* 丢弃的包数（缓冲区满） */
       u_int ps_ifdrop;          /* 接口层丢弃的包数 */
   };

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核心函数接口

1. 设备查找与打开

   由于 PC 上有多个网卡（设备），比如有线网卡 wth0、无线网卡 wlan0、回环网卡 lo，所以我们必须指定捕获设备。

   获取设备信息：

   函数原型	功能说明
   char *pcap_lookupdev(char *errbuf)	返回第一个可用的非回环设备名（已废弃，建议用 pcap_findalldevs）
   int pcap_findalldevs(pcap_if_t **alldevsp, char *errbuf)	获取所有可用网络设备列表，alldevsp 是一个在堆上的链表
   void pcap_freealldevs(pcap_if_t *alldevs)	释放设备列表，也即释放堆上分配的内存
   int pcap_lookupnet(const char *device, bpf_u_int32 *netp, bpf_u_int32 *maskp, char *errbuf)	获取设备的网络地址和掩码

   打开实时捕获设备：

   pcap_t *pcap_open_live(const char *device, int snaplen, 
                       int promisc, int to_ms, char *errbuf);

   • snaplen: 最大捕获字节数（通常设 65535 或 BUFSIZ）。
   • promisc: 1 开启混杂模式，0 非混杂。混杂模式下会接收所有经过设备的数据包。
   • to_ms: 读取超时（毫秒），0 表示无超时阻塞等待。

   离线操作：

   // 打开一个之前保存的抓包文件
   pcap_t *pcap_open_offline(const char *fname, char *errbuf);
   // 创建虚拟句柄（用于编译 BPF 过滤器）
   pcap_t *pcap_open_dead(int linktype, int snaplen); 

2. 数据包捕获

   函数原型	功能说明
   int pcap_loop(pcap_t *p, int cnt, pcap_handler callback, u_char *user)	循环捕获 cnt 个包（-1 表示无限），每次捕获调用 callback
   int pcap_dispatch(pcap_t *p, int cnt, pcap_handler callback, u_char *user)	类似 loop，但超时或处理完缓冲区内数据即返回
   const u_char *pcap_next(pcap_t *p, struct pcap_pkthdr *h)	捕获单个数据包，阻塞等待，返回指向原始数据包的指针
   int pcap_next_ex(pcap_t *p, struct pcap_pkthdr **pkt_header, const u_char **pkt_data)	捕获单个包（返回 1:成功, 0:超时, -1:错误, -2:离线文件EOF）
   void pcap_breakloop(pcap_t *p)	中断正在运行的 pcap_loop/dispatch

3. 数据包过滤

   // 编译过滤表达式
   int pcap_compile(pcap_t *p, struct bpf_program *fp, 
                   char *str, int optimize, bpf_u_int32 netmask);
   
   // 应用过滤器
   int pcap_setfilter(pcap_t *p, struct bpf_program *fp);
   
   // 释放编译后的 BPF 程序内存
   void pcap_freecode(struct bpf_program *fp);

   • p：提供编译所需的链路层类型、快照长度。
   • fp：是输出参数，编译生成的 BPF 指令会存储在这里。
   • str：人类可读的过滤表达式字符串，例如 "tcp port 80" 或 "host 192.168.1.1"。
   • optimize：是否优化生成的 BPF 指令，1 表示优化，0 表示不优化。
   • netmask：网络掩码，用于解析 net/mask 这类过滤器；不需要时可传 PCAP_NETMASK_UNKNOWN（通常就是 0）。

   示例流程：

   pcap_t *handle = pcap_open_live("eth0", 65535, 1, 1000, errbuf);
   struct bpf_program fp;
   pcap_compile(handle, &fp, "icmp or tcp port 80", 1, net);
   pcap_setfilter(handle, &fp);
   pcap_freecode(&fp);

4. 数据包转储

   // 打开转储文件
   pcap_dumper_t *pcap_dump_open(pcap_t *p, const char *fname);
   pcap_dumper_t *pcap_dump_fopen(pcap_t *p, FILE *fp);
   
   // 写入数据包（可作为 pcap_loop 的回调函数）
   void pcap_dump(u_char *user, struct pcap_pkthdr *h, u_char *sp);
   
   // 刷新缓冲区到磁盘
   int pcap_dump_flush(pcap_dumper_t *p);
   
   // 关闭转储文件
   void pcap_dump_close(pcap_dumper_t *p);

   注：

5. 辅助与清理函数

   函数	说明
   int pcap_datalink(pcap_t *p)	获取链路层类型（如 Ethernet 为 1）
   int pcap_snapshot(pcap_t *p)	获取 snaplen
   int pcap_stats(pcap_t *p, struct pcap_stat *ps)	获取捕获统计
   char *pcap_geterr(pcap_t *p)	获取错误信息
   void pcap_perror(pcap_t *p, char *prefix)	打印错误信息
   void pcap_close(pcap_t *p)	关闭会话并释放资源

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典型使用流程

char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];
pcap_if_t *alldevs;
pcap_t *handle;
struct bpf_program fp;

// 1. 查找设备
pcap_findalldevs(&alldevs, errbuf);
// 2. 打开设备
handle = pcap_open_live(alldevs->name, 65535, 1, 1000, errbuf);
// 3. 编译并设置过滤器
pcap_compile(handle, &fp, "port 80", 0, PCAP_NETMASK_UNKNOWN);
pcap_setfilter(handle, &fp);
// 4. 循环捕获
pcap_loop(handle, 0, packet_handler, NULL);
// 5. 清理
pcap_freecode(&fp);
pcap_close(handle);
pcap_freealldevs(alldevs);

参考文档：

• TCPDUMP & LIBPCAP 官方文档
• Linux man page - pcap
• Stanford libpcap Tutorial

common.h

网络设备有关数据结构

/* Network device information */
typedef struct {
    char name[32];       // Device name
    pcap_t *handle;      // pcap handle
    pthread_t thread_id; // Capture thread ID
    int index;           // Device index
} net_device_t;

/* Packet buffer entry */
typedef struct {
    net_device_t *device;          // Ingress device
    uint8_t data[PACKET_BUF_SIZE]; // Packet data
    uint32_t len;                  // Packet length
    uint64_t timestamp;            // Capture timestamp
} packet_entry_t;

/* Global packet buffer */
typedef struct {
    packet_entry_t packets[MAX_PACKETS];
    int head;
    int tail;             // circular buffer
    pthread_mutex_t lock; // mutex lock
} packet_buffer_t;

lab

第一次执行会写路由表，所以 Hub 中会出现 IPv6 包。

Makefile 的 test_hub 增加 sleep 1，保证避免过快 killall 导致 ping reply 没有记录