tcpdump / wireshark 抓包及分析
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:3.81.2 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:255.255.0.01.3 安装 tcpdump
/ # apk update
/ # apk add tcpdump2 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：
- 域名查找：通过访问 DNS 服务查找 example.com 服务器对应的 IP 地址
- TCP 连接参数初始化：临时端口、初始序列号的选择等等
- 客户端（容器）通过 TCP 三次握手协议和服务器 IP 建立 TCP 连接
- 客户端发起 HTTP GET 请求
- 服务器返回 HTTP 响应，包含页面数据传输
- 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）
- 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 [.] , 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]：
- client -> server: SYN
- server -> client: SYN+ACK
- 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 [.] , 第一次握手: SYN
#1 包含以下信息：
- 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
- 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
- #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）
- #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 3310420140，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：
- TCP flags 为 S.，即 SYN+ACK
- length 也是 0，说明没有 payload
- seq 为 1353235534，这是服务端的初始序列号
- 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：
- TCP flags 为 .，即 ACK
- 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 [.] , 这里可以看到：
- #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
- #5: 发送了 ACK 包，对 #4 进行确认
- #6: 发送了 1448 字节的数据给 client
- #7: client 对 server 的 #6 进行应答
- #8: server 向 client 端继续发送 179 字节数据
- #9: client 对 server 的 #8 进行应答
3.4 四次挥手
最后是四次挥手 [5]：
- 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）
- server -> client: ACK
- client -> server: FIN+ACK
- server -> client: 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 [.] , 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 在 08:00:05.125 发送出去，请求建立连接
- 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
- 又过了大约 2s，仍然没有收到 ACK 包，再次触发超时重传
- 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：
- ip.addr == 192.168.1.1 过滤 SRC IP 或 DST IP 是 192.168.1.1 的包
- 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
- tcp.port == 80 源端口或目的端口是 80 的包
- 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
- 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