ArthurChiao's Blog

tcpdump/wireshark 抓包及分析（2019）

Published at 2018-12-14 | Last Update 2024-08-19

本文将展示如何使用 tcpdump 抓包，以及如何用 tcpdump 和 wireshark 分析网络流量。 文中的例子比较简单，适合作为入门参考。

1 基础环境准备

为方便大家跟着上手练习，本文将搭建一个容器环境。

1.1 Pull Docker 镜像

$ sudo docker pull alpine:3.8

1.2 运行容器

$ sudo docker run -d --name ctn-1 alpine:3.8 sleep 3600d
$ sudo docker ps
CONTAINER ID    IMAGE        COMMAND         CREATED        STATUS          PORTS  NAMES
233bc36bde4b    alpine:3.8   "sleep 3600d"   1 minutes ago  Up 14 minutes           ctn-1

进入容器：

$ sudo docker exec -it ctn-1 sh

查看容器网络信息：

/ # ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:AC:11:00:09
          inet addr:172.17.0.9  Bcast:0.0.0.0  Mask:255.255.0.0

1.3 安装 tcpdump

/ # apk update
/ # apk add tcpdump

2 HTTP/TCP 抓包

接下来我们用 wget 获取一个网站的首页文件（index.html），同时 tcpdump 抓包，对抓 到的网络流量进行分析。

2.1 HTTP 请求：下载测试页面

example.com 是一个测试网站，wget 是一个 linux 命令行工 具，可以下载网络文件。

如下命令可以下载一个 example.com 网站的首页文件 index.html：

/ # wget http://example.com
Connecting to example.com (93.184.216.34:80)
index.html           100% |*****************************|  1270   0:00:00 ETA

虽然这看起来极其简单，但背后却涵盖了很多复杂的过程，例如：

  1. 域名查找：通过访问 DNS 服务查找 example.com 服务器对应的 IP 地址
  2. TCP 连接参数初始化：临时端口、初始序列号的选择等等
  3. 客户端（容器）通过 TCP 三次握手协议和服务器 IP 建立 TCP 连接
  4. 客户端发起 HTTP GET 请求
  5. 服务器返回 HTTP 响应，包含页面数据传输
  6. 如果页面超过一个 MTU，会分为多个 packet 进行传输（后面会看到，确实超过 MTU 了）
  7. TCP 断开连接的四次挥手

2.2 抓包：打到标准输出

用下面的 tcpdump 命令抓包，另一窗口执行 wget http://example.com，能看到如下类 似的输出。为了方便后面的讨论，这里将一些字段去掉了，并做了适当的对齐：

/ # tcpdump -n -S -i eth0 host example.com
1  02:52:44.513700 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [S] , seq 3310420140,                            length 0
2  02:52:44.692890 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [S.], seq 1353235534,            ack 3310420141, length 0
3  02:52:44.692953 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [.] ,                            ack 1353235535, length 0
4  02:52:44.693009 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [P.], seq 3310420141:3310420215, ack 1353235535, length 74: HTTP: GET / HTTP/1.1
5  02:52:44.872266 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [.] ,                            ack 3310420215, length 0
6  02:52:44.873342 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [.] , seq 1353235535:1353236983, ack 3310420215, length 1448: HTTP: HTTP/1.1 200 OK
7  02:52:44.873405 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [.] ,                            ack 1353236983, length 0
8  02:52:44.874533 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [P.], seq 1353236983:1353237162, ack 3310420215, length 179: HTTP
9  02:52:44.874560 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [.] ,                            ack 1353237162, length 0
10 02:52:44.874705 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [F.], seq 3310420215,            ack 1353237162, length 0
11 02:52:45.053732 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [.] ,                            ack 3310420216, length 0
12 02:52:45.607825 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [F.], seq 1353237162,            ack 3310420216, length 0
13 02:52:45.607869 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [.] ,                            ack 1353237163, length 0

参数说明：

  • -n：打印 IP 而不是 hostname，打印端口号而不是协议（例如打印 80 而不是 http）
  • -S：打印绝对时间戳
  • -i eth0：指定从 eth0 网卡抓包
  • host example.com：抓和 example.com 通信的包（双向）

更多 tcpdump 的常用命令，可以参考tcpdump: An Incomplete Guide。

2.3 抓包：存文件

-w 命令可以将抓到的包写到文件，注意这和用重定向方式将输出写到文件是不同的。 后者写的只是标准输出打印的 LOG，而 -w 写的是原始包。

/ # tcpdump -i eth0 host example.com -w example.pcap
^C
13 packets captured
13 packets received by filter
0 packets dropped by kernel

生成的 pcap 文件可以用 tcpdump 或者 wireshark 之类的网络流量分析工具打开。

3 流量分析: tcpdump

如果不指定输出的话，tcpdump 会直接将信息打到标准输出，就是我们上面看到的那样。从 这些输出里，我们看到很多信息。

3.1 每列说明

第 1 列是为了讨论方便而加的行号，实际的 tcpdump 输出并没有这一列。接下来将用 # 号加数字表示第几个包，例如 #3 表示第 3 个包。

接下来依次为：

  • packet 时间戳，例如 02:52:44.513700 表示抓到这个包的时间是** 02 时 52 分 44 秒 513 毫秒**
  • packet 类型，这里是 IP 包
  • 源 (SRC) IP 和端口，目的 (DST) IP 和端口
  • packet TCP flags，其中
    • S 表示 syn 包
    • . 表示 ack 包
    • F 表示 fin 包
    • P 表示 push 包（发送正常数据）
  • 序列号（seq）
  • 应答号（ack）
  • 包的 payload 长度
  • 包的部分内容（ASCII）

3.2 三次握手（1～3）

wget 是基于 HTTP 协议，因此它在下载文件之前，必定要和服务端建立一个连接。

而 TCP 建立连接的过程就是著名的三次握手 [4]：

  1. client -> server: SYN
  2. server -> client: SYN+ACK
  3. client -> server: ACK

我们可以看到，这刚好对应于前三个包：

1  02:52:44.513700 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [S] , seq 3310420140,                 length 0
2  02:52:44.692890 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [S.], seq 1353235534, ack 3310420141, length 0
3  02:52:44.692953 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [.] ,                 ack 1353235535, length 0

第一次握手: SYN

#1 包含以下信息：

  1. 02:52:44.513700 时刻，客户端主动向 server（93.184.216.34）发起一个 SYN 请求，请求建立连接
  2. 客户端请求的服务端端口是 80（HTTP 服务默认 80 端口），客户端使用的是临时端口（大于 1024）41038
  3. #1 序列号是 3310420140，这是客户端的初始序列号（客户端和服务端分别维护自己的序列号，两者没有关系；另外，初始序列号是系统选择的，一般不是 0）
  4. #1 length 为 0，因为 SYN 包不带 TCP payload，所有信息都在 TCP header

第二次握手: SYN+ACK

#2 的 ack 是 3310420141，等于 #1 的 seq 加 1，这就说明，#2 是 #1 的应 答包。

这个应答包的特点：

  1. TCP flags 为 S.，即 SYN+ACK
  2. length 也是 0，说明没有 payload
  3. seq 为 1353235534，这是服务端的初始序列号
  4. 到达 eth0 的时间为 02:52:44.692890，说明时间过了 18ms

第三次握手: ACK

同理，#3 的 ack 等于 #2 的 seq 加 1，说明 #3 是 #2 的应答包。

这个包的特点：

  1. TCP flags 为 .，即 ACK
  2. 长度为 0，说明没有 TCP payload

至此，三次握手完成。

3.3 正常数据传输

三次握手完成后，client 和 server 开始 HTTP 通信，客户端通过 HTTP GET 方法下载 index.html。

4  02:52:44.693009 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [P.], seq 3310420141:3310420215, ack 1353235535, length 74: HTTP: GET / HTTP/1.1
5  02:52:44.872266 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [.] ,                            ack 3310420215, length 0
6  02:52:44.873342 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [.] , seq 1353235535:1353236983, ack 3310420215, length 1448: HTTP: HTTP/1.1 200 OK
7  02:52:44.873405 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [.] ,                            ack 1353236983, length 0
8  02:52:44.874533 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [P.], seq 1353236983:1353237162, ack 3310420215, length 179: HTTP
9  02:52:44.874560 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [.] ,                            ack 1353237162, length 0

这里可以看到：

  1. #4: client 向 server 发起 HTTP GET 请求，请求路径为根路径（/），这个 packet 长度为 74 字节
  2. #5: 发送了 ACK 包，对 #4 进行确认
  3. #6: 发送了 1448 字节的数据给 client
  4. #7: client 对 server 的 #6 进行应答
  5. #8: server 向 client 端继续发送 179 字节数据
  6. #9: client 对 server 的 #8 进行应答

3.4 四次挥手

最后是四次挥手 [5]：

  1. client -> server: FIN （我们看到的是 FIN+ACK，这是因为这个 FIN 包除了正常的关闭连接功能之外，还被用于应答 client 发过来的前一个包）
  2. server -> client: ACK
  3. server -> client: FIN+ACK
  4. client -> server: ACK
10 02:52:44.874705 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [F.], seq 3310420215, ack 1353237162, length 0
11 02:52:45.053732 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [.] ,                 ack 3310420216, length 0
12 02:52:45.607825 IP 93.184.216.34.80 > 172.17.0.9.41038: Flags [F.], seq 1353237162, ack 3310420216, length 0
13 02:52:45.607869 IP 172.17.0.9.41038 > 93.184.216.34.80: Flags [.] ,                 ack 1353237163, length 0

4 流量分析: wireshark

tcpdump 可以指定 -r 读取 pcap 文件，并以指定的格式输出包的信息，最后输出的内容 和上面看到的类似。我们上面的流量非常简单，所以看 tcpdump 的输出就够了。

对于复杂的 pcap，例如，其中包含了上百个 IP 地址、上千个端口、上万个连接的 pcap， 通过 tcpdump 看输出可能就比较低效了。

这时，wireshark 这样带图形用户界面，且功能强大的网 络流分析工具就派上了用场。

wireshark 支持强大的过滤功能，支持按 IP、端口、协议、连接、TCP flag 以及它们的各 种组合进行过滤，然后进行分析，大大节省网络排障的时间。

wireshark 官方维护了一个 sample pcap列表 ，我们拿 iperf-mptcp-0-0.pcap 作为例子来展示如何使用 wireshark。

4.1 追踪 TCP 流

下载后双击就可以用 wireshark 打开。看到有重传（TCP Retransmition）的包：

在重传的包上，右键 -> Follow -> TCP Stream，会过滤出只属于这个连接的包：

我们看到，这个连接只有 3 个包：

  1. #1 在 08:00:05.125 发送出去，请求建立连接
  2. 大约 1s 后，客户端仍然没有收到服务端的 ACK 包，触发客户端 TCP 超时重传
  3. 又过了大约 2s，仍然没有收到 ACK 包，再次触发超时重传
  4. 这里其实还可以看出 TCP 重传的机制：指数后退，比如第一次等待 1s，第二次等 待 2s，第三次等待 4s，第四次 8s

因此，从这个抓包文件看，这次连接没有建立起来，而直接原因就是 client 没有收到 server 的应答包。要跟进这个问题，就需要在 server 端一起抓包，看应答包是否有发出来 。本文不对此展开。

4.2 过滤流

上面的截图我们看到 wireshark 里有 tcp.stream eq 1，这其实就是其强大的过滤表达式。

我们可以直接手写表达式，然后回车，符合条件的包就会显示出来。而且，在编辑表达式的 时候，wireshark 有自动提示，还是比较方便的。这些表达式和 tcpdump 的 filter 表达 式很类似，如果熟悉 tcpdump，那这里不会有太大困难。

下面举一些例子：

  1. ip.addr == 192.168.1.1 过滤 SRC IP 或 DST IP 是 192.168.1.1 的包
  2. ip.src_host == 192.168.1.1 and ip.dst_host == 192.168.1.2 过滤 SRC IP 是 192.168.1.1，并且 DST IP 是 192.168.1.2 的包
  3. tcp.port == 80 源端口或目的端口是 80 的包
  4. tcp.flags.reset == 1 过滤 TCP RST 包。先找到 RST 包，然后右键 Follow -> TCP Stream 是常用的排障方式
  5. tcp.analysis.retransmission 过滤所有的重传包

4.3 导出符合条件的包

有时 pcap 文件太大，导致 wireshark 非常慢，而大部分数据包可能是不需要的。在这种情况 下，可以先用过滤条件筛选出感兴趣的包，然后 File -> Export Specified Packets ... ，弹出的对话框里，可以选择当前显示的包，或者某个指定区间的包另存为新 pcap。

然后就可以关闭原来的 pcap，打开新的 pcap 进行分析。

5 总结

tcpdump 和 wireshark 功能非常强大，组合起来更是网络排障的首选利器。这里介绍的内 容只是九牛一毛，更多的时候，你需要 tcpdump+wireshark+google。

References

  1. Man Page of tcpdump
  2. Wireshark
  3. Wireshark: Sample Pcaps
  4. TCP 3-way Handshaking
  5. TCP 4-times Close
  6. tcpdump: An Incomplete Guide

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