写了一个叫 address-book 的玩具项目

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在实现 Packer Plugin 的时候，遇到了一个头疼的问题，就是一个新装好的 VM，如何感知它的 IP 地址呢？

通常虚拟化软件都会通过在虚拟机中安装的 VM Tools 来进行 IP 的获取，但是各种 Linux 发行版官方镜像又不会携带这些东西，要安装 VM Tools 又最好能够通过 IP SSH 上去，这就成了一个死结 。

那么在 VM 之外有没有办法能够感知到它的 IP 呢？答案是肯定的。

实现思路

通常情况下，一台虚拟机加入到一个网络中，它需要一个 IP 地址，这个地址通常有两个来源：

  • 静态地址
  • DHCP

静态地址就是用户或软件直接设置 IP 地址、子网掩码、网关等配置，写什么就是什么。如果因为写错了或者 IP 别人已经占用了，就无法正常访问网络。

DHCP（动态主机设置协议）则是通过虚拟机与外部的 DHCP 服务器交互，申领一个 IP 地址来使用。这中间便是通过 DHCP 协议来进行沟通交流，获取 IP、网关等配置的。

不难看出如果一个 VM 通过 DHCP 协议获取 IP 地址，那么它就会在网络中有活动了，我们如果是网络中的一员，那么就必然能够有所觉察了。

从 DHCP 数据包中解析 IP

既然用到 DHCP，那就得先了解 DHCP，了解一次 DHCP 是如何完成的。DHCP 完整的步骤分为四步

  1. DISCOVER：客户端（我们的虚机）发送一个 IP 地址为「255.255.255.255」的 UDP 数据包，也就是向全网广播：我，新来的，想要一个 IP 地址。
  2. OFFER：DHCP 服务器收到了这个广播的消息后，会发送 OFFER 数据包，就是说：刚刚吆喝那小子，你就用这个 IP、子网掩码、网关配置吧。
  3. REQUEST：客户端收到 OFFER 之后，还需要确认一下，顺便告诉其它的 DHCP 服务器：你们不用等我了，我已经接了某某某的 OFFER 了。
  4. ACK：最后 DHCP 服务器会反馈：我也知道了，再给你发一遍，你就用这个地址了。

至此 VM 就配置好了 IP。当然实际场景下，可能一个 VM 原本就使用过 IP，可以只发送 REQUEST 请求续租 IP。

了解了这个流程就很简单了，我么可以在收到 OFFER 数据包的时候，判断 dst MAC 地址是不是 VM 的 MAC 地址，是的话就可以解析数据包中所携带的 IP 信息了。当然这时候 IP 地址还没有完全敲定，我们还可以等一等 ACK 的数据包，也是判断是不是发到我们期望的 MAC 地址，如果是，就从 UDP Payload 中解析 IP 数据了。

通常来说，一台计算机拿到 IP 地址之后，就得全网嘚瑟一下，那接下来就会发 ARP（地址解析协议）了。

从 ARP 数据包中解析 IP

我们通常基于 IP 协议的数据传输使用的都是 IP 地址，但是在同一网络内，两台主机通过 IP 地址进行互相通信的时候，需要知晓目标 IP 的物理地址（MAC 地址），系统会检测本地的 ARP 表，看下有没有这个 IP，如果没有的话就会向网络中广播：谁有 192.168.5.10 这个 IP 呀，回我一下。设置了 192.168.5.10 这个 IP 的机器收到后，就会回复一条：是我了，没错。

那么我们就需要关注：

  • 任何一个 ARP 包都可以从 L2 层得到发包的 MAC 地址，并在 ARP 协议层找到 Source IP
  • Reply 类型的数据包就可以从 ARP 协议层找到回应者的 IP 与 MAC 地址，同时也包含接受者的 MAC 与 IP 地址。

通过对得到的 IP/MAC 地址进行匹配，就可以得到目标虚拟机的 IP 地址了。

编写程序

流量抓包，肯定离不开 libpcap 这个库了，这里使用 Golang 开发，因此核心用到的是 github.com/google/gopacket 这个包。

首先需要获取创建 Handle，并在得到 handle 实例后设置 Filter，我们只关心 UDP 67 68 端口（DHCP 协议使用的端口）与 ARP 协议。下面的代码还顺带过滤了 ICMP 协议（Ping 命令使用的协议），不过实际没有用到相关的数据包。

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func NewCapture(db *Database, params CaptureParams) (*Capture, error) {
	handle, err := pcap.OpenLive(params.Device, params.SnapshotLength, params.Promiscuous, params.Timeout)
	if err != nil {
		return nil, err
	}

	err = handle.SetBPFFilter("(udp and (port 67 or port 68)) or arp or (icmp and (icmp[icmptype] == 8 or icmp[icmptype] == 0))")
	if err != nil {
		return nil, err
	}

	return &Capture{Handle: handle, db: db}, nil
}

创建 Handle 之后，就可以使用 Handle 创建一个 PacketSource，我们从 source 中不断读取收到的数据包。

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func (c *Capture) Run() {
	source := gopacket.NewPacketSource(c.Handle, c.Handle.LinkType())
	for packet := range source.Packets() {
		addresses := c.getAddresses(packet)
		// ...
	}
}

具体处理数据包解析出实际的 IP/MAC 地址信息的就是 getAddress() 方法：

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func (c *Capture) getAddresses(packet gopacket.Packet) []Address {
	if arpLayer := packet.Layer(layers.LayerTypeARP); arpLayer != nil {
		return c.getAddressFromARPPacket(arpLayer)
	}

	if dhcpLayer := packet.Layer(layers.LayerTypeDHCPv4); dhcpLayer != nil {
		return c.getAddressFromDHCPPacket(packet)
	}

	return []Address{}
}

我们通过 packet.Layer() 方法来判断当前数据包是否为某个协议的数据包，然后只处理 ARP 与 DHCP 的数据包。

最后就按照上面的描述进行地址的解析：

小结

除了上面的核心代码，还会将所有捕获到的 IP/MAC 地址记录在内存数据库中，以供查询。因此程序提供了两个接口，可以用来根据 IP 查 MAC，也可以根据 MAC 查 IP，还可以列出当前记录的所有的地址记录，就像一个通讯录。

有了这个服务之后，Packer 就有一定办法可以获取到新建 VM 的 IP 地址了，不过还有一点局限性就是可能会有一些主机，即使加入了网络，也是一声不吭，完全自闭。这种情况就先不考虑了。