Уильям Стивенс - UNIX: разработка сетевых приложений

Каждый канальный уровень вызывает BPF сразу после получения пакета и непосредственно перед его передачей выше, как показано на рис. 29.1.

Рис. 29.2. Захват пакета с использованием DLPI, pfmod и bufmod

Концептуально DLPI аналогичен BPF. pfmodподдерживает фильтрацию внутри ядра, используя псевдопроцессор, a bufmodсокращает количество данных и системных вызовов, поддерживая длину захвата и время ожидания для считывания.

Одно интересное различие, тем не менее, заключается в том, что для BPF и фильтров pfmodиспользуются разные типы псевдопроцессоров. Фильтр BPF — это ориентированный ациклический граф управления потоком ( acyclic control flow graph , CFG ), в то время как pfmodиспользует дерево булевых выражений. В первом случае естественным является отображение в код для вычислительной машины с регистровой организацией, а во втором — в код для машины со стековой организацией [72]. В статье [72] показано, что реализация CFG, используемая в BPF, обычно работает быстрее, чем дерево булевых выражений, в 3-20 раз в зависимости от сложности фильтра.

Еще одно отличие состоит в том, что BPF всегда выполняет фильтрацию перед копированием пакета, чтобы не копировать те пакеты, которые будут сброшены фильтром. В некоторых реализациях DLPI пакеты сначала копируются в модуль pfmod, который затем может сбрасывать их.

Существует два метода получения пакетов канального уровня в Linux. Первоначальный метод получил более широкое распространение, но является менее гибким. Он состоит в создании сокета типа SOCK_PACKET. Новый метод, предоставляющий больше возможностей для настройки фильтров и оптимизации производительности, состоит в создании сокета семейства PF_PACKET. В любом случае мы должны обладать правами привилегированного пользователя (аналогичные необходимым для создания символьного сокета), а третий аргумент функции socket должен быть ненулевым значением, задающим тип кадра Ethernet. При использовании сокетов PF_PACKETвторой аргумент socketможет быть константой SOCK_DGRAM(для получения обработанных пакетов без заголовка канального уровня) или SOCK_RAW(для получения пакетов целиком). Сокеты SOCK_PACKETпередают пакеты только целиком. Например, для получения всех кадров канального уровня мы пишем:

fd = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL)); /* в новых системах */

или

fd = socket(AF_INET, SOCK_PACKET, htons(ETH_P_ALL)); /* в старых системах */

В результате этого будут возвращены кадры для всех протоколов, получаемые канальным уровнем. Если нам нужны кадры IPv4, то вызов будет таким:

fd = socket(PF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IP)); /* в новых системах */

fd = socket(AF_INET, SOCK_PACKET, htons(ETH_P_IP)); /* в старых системах */

Другие константы, которые могут использоваться в качестве последнего аргумента, — это, например, ETH_P_ARPи ETH_P_IPV6.

Указывая протокол ETH_P_ххх, мы тем самым сообщаем канальному уровню, какой тип из получаемых канальным уровнем кадров передавать сокету. Если канальный уровень поддерживает смешанный режим (например, Ehternet), то устройство тоже должно работать в смешанном режиме. Это осуществляется при помощи параметра сокета PACKET_ADD_MEMBERSHIPс использованием структуры packet_mreq. При этом необходимо указать конкретный интерфейс и задать тип действия PACKET_MR_PROMISC. В старых системах для этого нужно вызвать функцию ioctlс запросом SIOCGIFFLAGSдля получения флагов, установить флаг IFF_PROMISCи далее сохранить флаги с помощью SIOCSIFFLAGS. К сожалению, при использовании этого метода программы, работающие в смешанном режиме, могут мешать друг другу, а если в одной из них содержатся ошибки, то она может и не отключить смешанный режим по завершении.

Сравнивая это средство Linux с BPF и DLPI, мы можем отметить некоторые различия.

1. В Linux не обеспечивается буферизация. Фильтрация на уровне ядра доступна только в новых системах (при помощи параметра SO_ATTACH_FILTER). Существует обычный буфер приема сокета, но отсутствует возможность буферизации и отправки приложению нескольких кадров с помощью одной операции считывания. Это увеличивает накладные расходы, связанные с копированием потенциально возможных больших объемов данных из ядра в приложение.

2. В Linux не предусмотрена фильтрация на уровне устройства. Сокеты PF_PACKETмогут быть связаны с устройством функцией bind. Если в вызове функции socketуказан аргумент ETH_P_IP, то все пакеты IPv4 со всех устройств (например, Ethernet, каналы PPP, каналы SLIP и закольцовка) будут переданы на сокет. Функция recvfromвозвращает общую структуру адреса сокета, а элемент sa_dataсодержит имя устройства (например, eth0). Тогда приложение само должно игнорировать данные с тех устройств, которые не представляют для него интереса. Здесь мы сталкиваемся фактически с той же проблемой: возможно, что приложение будет получать слишком много данных, особенно в случае наблюдения за высокоскоростной сетью.

Библиотека захвата пакетов libcapобеспечивает не зависящий от реализации доступ к средствам операционной системы, с помощью которых осуществляется этот захват. В настоящее время поддерживается только чтение пакетов (хотя добавление нескольких строк кода в библиотеку позволяет также записывать пакеты в некоторых системах). В следующем разделе приводится описание альтернативной библиотеки, которая не только дает возможность записывать пакеты на канальный уровень, но и позволяет конструировать пакеты произвольного типа.

Сейчас осуществляется поддержка BPF для Беркли-ядер, DLPI для Solaris 2.x, NIT для SunOS 4.1.x, пакетных сокетов ( SOCK_PACKET, PF_PACKET) в Linux и нескольких других операционных системах. Библиотека libcapиспользуется программой tcpdump. Всего в библиотеке насчитывается порядка 25 функций, но вместо того чтобы просто описывать их, мы продемонстрируем их фактическое использование на примере, рассматриваемом в следующем разделе. Названия всех функций начинаются с pcap_. Они описаны более подробно на странице руководства, которая называется pcap.

Библиотека libcap находится в свободном доступе по адресу http://www.tcpdump.org/.

Библиотека libnetпредоставляет интерфейс для создания и отправки в сеть пакетов произвольного содержимого. Она обеспечивает доступ на уровне символьных сокетов и доступ к канальному уровню в формате, не зависящем от реализации.