수안이의 컴퓨터 연구실

libpcap 은 인터넷상의 패킷을 캡쳐하기 위한 라이브러리로, 패킷분석을 통한 침입탐지 시스템, 네트웍 관리 프로그램, 네트웍 문제분석을 위한 도구제작등에 널리 사용되고 있다. 이 문서는 libpcap 을 사용한 기본적인 패킷캡쳐 방법을 담고 있다.

1절. 소개
2절. Libpcap 기본
2.1절. Libpcap 에 대하여
2.2절. libpcap 의 설치
2.3절. 패킷 캡쳐의 기본이해
2.4절. 패킷 캡쳐의 응용
3절. libpcap 프로그래밍
3.1절. 디바이스&네트웍 정보 관련 API
3.1.1절. int pcap_lookupnet()
3.1.2절. char* pcap_lookupdev
3.1.3절. pcap_datalink
3.1.4절. 예제
3.2절. 패킷 캡쳐 초기화 관련 API
3.2.1절. pcatp_t *pcap_open_live
3.2.2절. pcap_t *pcap_open_offline
3.3절. 패킷 캡쳐(Read) 관련 API
3.3.1절. TCP,IP,Eternet 구조체
3.3.2절. u_char *pcap_next
3.3.3절. pcap_loop
3.3.4절. pcap_dispatch
3.4절. 패킷 필터링 관련 API
3.4.1절. pcap_compile
3.4.2절. pcap_setfilter
4절. 예제 코드
5절. 결론

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1절. 소개
이번 강좌는 libpcap 을 사용한 패킷 캡춰에 대한 내용이다.


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2절. Libpcap 기본
2.1절. Libpcap 에 대하여
Libpcap(이하 pcap)은 "Portable Packet Capturing Library"의 줄임말이며, 해석그대로 "간단하게 패킷을 캡쳐하기 위한 함수모음(라이브러리)" 이다.

물론 pcap 외에도 패킷캡쳐를 위한 도구들이 있기는 하지만, 대부분의 경우 운영체제에 종속적이여서, 운영체제별로 코드를 다시 짜야 한다는 불편함이 있다. 대표적인 도구로는 SOCK_PACKET, LSF, SNOOP, SNIT 등이 있다.

이에 비해 pcap 는 운영체제에 상관없이 범용적으로 사용가능한 API를 제공해줌으로, 공용프로그램 혹은 공용라이브러리의 제작이 가능하도록 도와준다. 또한 간단하게 사용가능한 사용자 레벨 라이브러리이다.

libpcap 를 이용한 가장 대표적인 프로그램이 tcpdump 와 SAINT 와 같은 프로그램들이다.

또한 상용 IDS [1] 제품의 상당수가 패킷분석을 위해서 libpcap 을 사용하고 있다.


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2.2절. libpcap 의 설치
여러분이 Unix 계열 운영체제를 사용하고 있다면, 거의 대부분 tcpdump 를 곧바로 사용할수 있을것이다. tcpdump 를 사용할수 있다는 것은 그 기반이 되는 libpcap 역시 설치되어 있다는 말이 된다.

그러나 만약의 경우 설치가 되어 있지 않다면 tcpdump.org 에서 받아서 컴파일후 설치하기 바란다.

컴파일 하기가 귀찮다면 그리고 레드헷이나 데비안 계열의 리눅스 사용자라면 해당 패키지를 배포하는 ftp 사이트에서 다운 받아서 설치하면 된다. 솔라리스 운영체제 라면 www.sunfreeware.com 에서 패키지를 받아서 설치하기 바란다.


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2.3절. 패킷 캡쳐의 기본이해
패킷 캡쳐는 네트웍 상에서 돌아다니는 패킷을 들여다 보는 걸 말한다. 패킷 캡쳐라는 어감상 패킷을 "잡는"게 아닌가 라고 생각할수 있지만, 패킷을 "잡지"는 않고 단지 들여다만 볼 뿐이다.

만약 여러분의 호스트가 포함된 네트웍을 관리하는 라우터가 일반적인(스위칭이 아닌) 라우터라면, 내부로 향하는 모든 패킷은 브로드캐스팅(Broadcasting) 된다. 이는 스위칭 라우터가 아닌한은 모든 로컬네트웍의 패킷을 들여다 볼수 있음을 의미하기도 한다. 어쨋든 이경우 운영체제는 자신에게 도착된 패킷중 목적지가 자신인 패킷만을 처리해서 Application Layer 까지 올려 보내게 된다.

libpcap 을 사용하면 이러한 패킷의 캡쳐가 가능해진다. 인터넷 상의 패킷은 상대방에게 보낼경우 encapuslation 과정을 거치고, 받은 패킷에 대해서는 demultiplexing 과정을 거친다는 것을 알고 있을것이다 - TCP/IP 개요(3) 참고 - libpcap 을 사용해서 캡쳐한 패킷은 demultiplexing 과정을 거치기 전의 패킷이다. 이렇게 해서 캡쳐한 패킷은 각 프로토콜 단위로(구조체) 읽어서 처리하면 된다. 다음은 encapuslation&demultiplexing 과정이다.




2.4절. 패킷 캡쳐의 응용
패킷 캡쳐는 여러가지 목적으로 사용될수 있다. NIDS(Network Intrusion Detection System) 프로그램이 가장 대표적인 응용이며, 네트웍 트래픽 감시, 네트웍 디버깅을 위한 용도로 사용가능하다.


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3절. libpcap 프로그래밍
이번장에서는 libpcap 에서 필수적으로 사용되는 중요 API 에 대해서 알아볼것이다.


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3.1절. 디바이스&네트웍 정보 관련 API
3.1.1절. int pcap_lookupnet()
int pcap_lookupnet(char *device, bpf_u_int32 *netp,               bpf_u_int32 *maskp, char *errbuf)
                               



네트웍 디바이스에 대한 네트웍 및 mask 번호를 되돌려준다. 네트웍 번호는 netp에 mask 번호는 maskp에 저장된다. device는 pcap_lookupdev 등을 통해 얻어온 네트웍 디바이스 이름이다.

에러가 발생할경우 -1 이 리턴되며, 에러 내용이 errbuf 에 저장된다.


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3.1.2절. char* pcap_lookupdev
pcap_open_live() 와 pcap_lookupnet() 에서 사용하기 위한 네트웍 디바이스에 대한 포인터를 되돌려준다. 성공할 경우 "eth0", "eth1" 과 같은 이름을 되돌려주며 실패할경우 0을 되돌려준다.


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3.1.3절. pcap_datalink
int pcap_datalink(pcap_t *p)
                               

link layer 타입을 되돌려준다(DLT_EN10MB 과 같은)


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3.1.4절. 예제
예제 : pcap.c
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <pcap.h>     //libpcap 헤더 포험 #include <errno.h> #include <sys/socket.h> #include <netinet/in.h> #include <arpa/inet.h> int main(int argc, char **argv) {    char *dev;    // 사용중인 네트웍 디바이스 이름    char *net;    // 네트웍 어드레스    char *mask;   // 네트웍 mask 어드레스    int ret;      //      char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];    bpf_u_int32 netp;  // ip    bpf_u_int32 maskp; // submet mask    struct in_addr addr;    // 네트웍 디바이스 이름을 얻어온다.    dev = pcap_lookupdev(errbuf);    // 에러가 발생했을경우    if(dev == NULL)    {        printf("%s\n",errbuf);        exit(1);    }    // 네트웍 디바이스 이름 출력    printf("DEV: %s\n",dev);    // 네트웍 디바이스 이름 dev 에 대한    // mask, ip 정보 얻어오기      ret = pcap_lookupnet(dev,&netp,&maskp,errbuf);    if(ret == -1)    {        printf("%s\n",errbuf);        exit(1);    }    // 네트웍 어드레스를 점박이 3형제 스타일로    addr.s_addr = netp;    net = inet_ntoa(addr);    if(net == NULL)    {        perror("inet_ntoa");        exit(1);    }    printf("NET: %s\n",net);    // 마찬가지로 mask 어드레스를 점박이 3형제 스타일로    addr.s_addr = maskp;    mask = inet_ntoa(addr);      if(mask == NULL)    {        perror("inet_ntoa");        exit(1);    }      printf("MASK: %s\n",mask);    return 0; }
                               

다음은 컴파일 방법이다. 컴파일 환경은 Redhat Linux 8.x, gcc 3.x 이다.
[root@localhost test]# gcc -o pcap pcap.c -lpcap -I/usr/include/pcap
                               

pcap.h 의 위치는 운영체제 마다 다를수 있으니 확인후 컴파일 하기 바란다.

다음은 실행결과이다.
[root@localhost test]# ./pcap
DEV: eth0
NET: 192.168.xxx.x
MASK: 255.255.xxx.x
                               




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3.2절. 패킷 캡쳐 초기화 관련 API
파일관련 작업을 할때 file descriptor(파일지정자)를 이용해서 작업하는것과 마찬가지로, 패킷 캡쳐관련 작업을 할때에도 packet capture descriptor 를 가지고 작업을 한다.

packet capture descriptor 는 pcatp_t * 형으로 선언되어 있다.


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3.2.1절. pcatp_t *pcap_open_live
pcap_t *pcap_open_live(char *device, int snaplen,           int promisc, int to_ms, char *ebuf)
                               

첫번째 인자로 주어지는 네트웍 디바이스 device에 대한 packet capture descriptor(이하 PCD) 을 만들기 위한 함수이다. 패킷을 캡춰하는 실질적인 모든일은 pcap_open_live 함수를 호출해서 만들어진 PCD 를 이용해서 이루어지게 된다.

linux 커널 2.2 이상의 경우 device 를 "any" 혹은 NULL로 할경우 모든 네트웍디바이스에 대해서 패킷 캡쳐가 일어나게 된다.

snaplen은 받아들일수 있는 패킷의 최대 크기(byte)이다.

promisc 는 네트웍 디바이스를 promiscuous mode 로 할것인지를 결정하기 위해서 사용한다. promisc 가 1일경우 promiscuous 모드가 되며, 로컬 네트웍의 모든 패킷을 캡쳐하게 된다. 0 일경우 에는 자기에게만 향하는 패킷을 캡쳐하게 되는데, 몇몇 경우에 있어서 promiscuous 모드로 작동하기도 한다.

to_ms 는 읽기 시간초과(time out) 지정을 위해서 사용되며 millisecond 단위이다.

ebuf 는 pcap_open_live 함수 호출에 문제가 생겼을경우 에러 메시지를 저장하기 위해서 사용한다. 만약 pcap_open_live 함수 호출시 에러가 발생할경우 NULL 을 리턴하고 에러내용을 ebuf 에 복사한다.


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3.2.2절. pcap_t *pcap_open_offline
       
pcap_t *pcap_open_offline(char *fname, char *ebuf)
                               

fname 를 가지는 파일로 부터 패킷을 읽어들인다. 만약 fname 이 "-" 일 경우 stdin으로 부터 읽어들인다.

ebuf 는 에러메시지를 저장하기 위해서 사용된다.


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3.3절. 패킷 캡쳐(Read) 관련 API
이번장에서는 실제 패킷을 캡쳐하는 관련 API 들에 대해서 알아볼것이다. 이 패킷 캡처 관련 API 를 제대로 이해하고 사용하기 위해서는 TCP/IP와 이더넷 프로토콜의 구조에 대해서 어느정도 이해를 해야 한다. 그럼으로 API 를 다루기 전에 이들 대표적인 프로토콜들에 대한 헤더 정보에 대해서 간략하게 먼저 알아보도록 하겠다.


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3.3.1절. TCP,IP,Eternet 구조체
패킷 Read 관련 API에서는 패킷을 읽었을때, Demultiplexing 이 되지 않은 완전한 구조의 패킷을 넘겨준다. 그럼으로 최소한 이들 각 패킷의 구조체 정보를 알고 있어야 각 계층(Layer)의 데이타를 읽어올수 있다.

다음은 TCP, IP, Eternet 구조체정보이다.

tcp 헤더 구조체 struct tcphdr  {    u_int16_t th_sport;     /* source port */    u_int16_t th_dport;     /* destination port */    tcp_seq th_seq;     /* sequence number */    tcp_seq th_ack;     /* acknowledgement number */ #  if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN    u_int8_t th_x2:4;       /* (unused) */    u_int8_t th_off:4;      /* data offset */ #  endif #  if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN    u_int8_t th_off:4;      /* data offset */    u_int8_t th_x2:4;       /* (unused) */ #  endif    u_int8_t th_flags; #  define TH_FIN    0x01 #  define TH_SYN    0x02 #  define TH_RST    0x04 #  define TH_PUSH   0x08 #  define TH_ACK    0x10 #  define TH_URG    0x20    u_int16_t th_win;       /* window */    u_int16_t th_sum;       /* checksum */    u_int16_t th_urp;       /* urgent pointer */ };                                 IP 헤더 구조체 struct ip  { #if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN    unsigned int ip_hl:4;       /* header length */    unsigned int ip_v:4;        /* version */ #endif #if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN    unsigned int ip_v:4;        /* version */    unsigned int ip_hl:4;       /* header length */ #endif    u_int8_t ip_tos;            /* type of service */    u_short ip_len;         /* total length */    u_short ip_id;          /* identification */    u_short ip_off;         /* fragment offset field */ #define IP_RF 0x8000            /* reserved fragment flag */ #define IP_DF 0x4000            /* dont fragment flag */ #define IP_MF 0x2000            /* more fragments flag */ #define IP_OFFMASK 0x1fff       /* mask for fragmenting bits */    u_int8_t ip_ttl;            /* time to live */    u_int8_t ip_p;          /* protocol */    u_short ip_sum;         /* checksum */    struct in_addr ip_src, ip_dst;  /* source and dest address */  };                                 ETHERNET 헤더 구조체 struct ethhdr {    unsigned char   h_dest[ETH_ALEN];   /* destination eth addr */    unsigned char   h_source[ETH_ALEN]; /* source ether addr    */    unsigned short  h_proto;            /* packet type ID field */ };



ip, tcp 헤더 파일은 /usr/include/netinet 밑에서 찾을수 있으며, ethernet 헤더 파일은 /usr/include/linux/if_ether.h 에서 찾을수 있다.

Ethernet 헤더와 IP 헤더의 경우 demultiplexing 과정을 거치기 위해서 상위 Layer 의 프로토콜 타입을 지정하고 있음을 알수 있다. Ethernet 헤더의 h_proto 와 IP 헤더의 ip_p 가 각 상위 Layer 의 프로토콜 타입을 알려주기 위해서 사용된다.

부연설명을 하자면 운영체제가 패킷을 받으면 가장 먼저 Link 레이어를 거치는데, Link 레이어에서는 Ethernet 헤더를 분석해서 패킷이 Network 레이어 로 전달되는 패킷인지 확인해서 Network 레이어로 전달된다면 해당 패킷이 IP 패킷인지 아니면 ICMP, IGMP 와 같은 패킷인지를 검사한후 Network 레이어의 알맞은 처리루틴으로 보낼것이다. Network 레이어에서는 패킷을 받은 다음 자신의 프로토콜 헤더를 검사해서 이 패킷이 Transport 레이어로 전달되는 패킷인지 확인하고, Transport 레이어로 전달된다면 UDP 인지, TCP 인지를 확인한다음에 Transport 레이어의 적당한 처리루틴으로 패킷을 던질것이다. 최후에 는 TCP 헤더만 남게 되는데, TCP 헤더의 PORT 를 검사해서 어떤 어플리케이션에게 전달되어야 하는지를 최종 결정하게 된다.


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3.3.2절. u_char *pcap_next
u_char *pcap_next(pcap_t *p, struct pcap_pkthdr *h)
                               

다음 패킷에 대한 포인터를 리턴한다.

우리는 이 패킷을 읽음으로써 패킷의 정보를 얻어올수 있다. 실지로 이 함수를 이용해서 패킷캡쳐와 관련된 모든 일을 할수 있다. 나머지 패킷캡쳐와 관련된 함수들은 (pcap_loop 같은) 이 함수의 기능 추가버젼 이라고 볼수 있다.


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3.3.3절. pcap_loop
int pcap_loop(pcap_t *p, int cnt,        pcap_handler callback, u_char *user)
                               

p 는 PCD 이며, cnt 는 패킷 캡쳐를 몇번에 걸쳐서 할것인지를 결정하기 위해서 사용한다. 만약 0이 지정되면 계속 패킷을 받아들이게 된다.

callback 는 패킷이 들어왔을때 실행하는 함수의 포인터이다. 보통은 패킷필터링과 관련된 함수가 실행될것이다.


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3.3.4절. pcap_dispatch
int pcap_dispatch(pcap_t *p, int cnt,         pcap_handler callback, u_char *user)
                               

pcap_loop 와 거의 비슷하다.


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3.4절. 패킷 필터링 관련 API
3.4.1절. pcap_compile
int pcap_compile(pcap_t *p, struct bpf_program *fp,          char *str, int optimize, bpf_u_int32 netmask)
                               

들어오는 패킷을 필터링 해서 받아들이기 위해서 사용한다. 예를 들어 tcpdump 에서 port 80 으로 오는 패킷만을 캡쳐하기 위해서 다음과 같이 사용하는걸 보았을것 이다.
[root@coco /root]# tcpdump port 80
Kernel filter, protocol ALL, TURBO mode (575 frames), datagram packet socket
tcpdump: listening on all devices
                               

tcpdump 명령 실행시킬때 뒤에 준 옵션인 "port 80" 이 filter rule 이며, str 아규먼트를 통해서 전달된다.

fp bfp_program 구조체의 포인터이며 pcap_compile 에 의해서 채워진다. netmask는 로컬 네트의 netmask 이다.

filter rule 에 대한 내용은 tcpdump 의 man 페이지에 상세하게 나와 있으니 참고하기 바란다.


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3.4.2절. pcap_setfilter
int pcap_setfilter(pcap_t *p, struct bpf_program *fp)
                               

pcap_compile 을 통해서 지정된 필터를 적용시키기 위해서 사용되며, 앞으로 들어오는 패킷에 대해서는 이 필터룰에 의해서 필터링 된다.


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4절. 예제 코드
pcap 의 기본적인 API 를 살펴봤으니 직접 코드를 작성해 보도록 하겠다.

예제 : pcap_test.c
#include <sys/time.h> #include <netinet/in.h> #include <net/ethernet.h> #include <pcap/pcap.h> #include <signal.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> #include <errno.h> #include <unistd.h> #include <netinet/ip.h> #include <netinet/tcp.h> #include <netinet/udp.h> #include <netinet/ip_icmp.h> #define PROMISCUOUS 1 #define NONPROMISCUOUS 0 // IP 헤더 구조체 struct ip *iph; // TCP 헤더 구조체 struct tcphdr *tcph; // 패킷을 받아들일경우 이 함수를 호출한다.   // packet 가 받아들인 패킷이다. void callback(u_char *useless, const struct pcap_pkthdr *pkthdr,                const u_char *packet) {    static int count = 1;    struct ether_header *ep;    unsigned short ether_type;        int chcnt =0;    int length=pkthdr->len;    // 이더넷 헤더를 가져온다.    ep = (struct ether_header *)packet;    // IP 헤더를 가져오기 위해서    // 이더넷 헤더 크기만큼 offset 한다.      packet += sizeof(struct ether_header);    // 프로토콜 타입을 알아낸다.    ether_type = ntohs(ep->ether_type);    // 만약 IP 패킷이라면    if (ether_type == ETHERTYPE_IP)    {        // IP 헤더에서 데이타 정보를 출력한다.          iph = (struct ip *)packet;        printf("IP 패킷\n");        printf("Version     : %d\n", iph->ip_v);        printf("Header Len  : %d\n", iph->ip_hl);        printf("Ident       : %d\n", ntohs(iph->ip_id));        printf("TTL         : %d\n", iph->ip_ttl);        printf("Src Address : %s\n", inet_ntoa(iph->ip_src));        printf("Dst Address : %s\n", inet_ntoa(iph->ip_dst));        // 만약 TCP 데이타 라면        // TCP 정보를 출력한다.        if (iph->ip_p == IPPROTO_TCP)        {            tcph = (struct tcp *)(packet + iph->ip_hl * 4);            printf("Src Port : %d\n" , ntohs(tcph->source));            printf("Dst Port : %d\n" , ntohs(tcph->dest));        }        // Packet 데이타 를 출력한다.        // IP 헤더 부터 출력한다.          while(length--)        {            printf("%02x", *(packet++));            if ((++chcnt % 16) == 0)                printf("\n");        }    }    // IP 패킷이 아니라면    else    {        printf("NONE IP 패킷\n");    }    printf("\n\n"); }     int main(int argc, char **argv) {    char *dev;    char *net;    char *mask;    bpf_u_int32 netp;    bpf_u_int32 maskp;    char errbuf[PCAP_ERRBUF_SIZE];    int ret;    struct pcap_pkthdr hdr;    struct in_addr net_addr, mask_addr;    struct ether_header *eptr;    const u_char *packet;    struct bpf_program fp;        pcap_t *pcd;  // packet capture descriptor    // 사용중인 디바이스 이름을 얻어온다.    dev = pcap_lookupdev(errbuf);    if (dev == NULL)    {        printf("%s\n", errbuf);        exit(1);    }    printf("DEV : %s\n", dev);    // 디바이스 이름에 대한 네트웍/마스크 정보를 얻어온다.    ret = pcap_lookupnet(dev, &netp, &maskp, errbuf);    if (ret == -1)    {        printf("%s\n", errbuf);        exit(1);    }    // 네트웍/마스트 정보를 점박이 3형제 스타일로 변경한다.    net_addr.s_addr = netp;    net = inet_ntoa(net_addr);    printf("NET : %s\n", net);    mask_addr.s_addr = maskp;    mask = inet_ntoa(mask_addr);    printf("MSK : %s\n", mask);    printf("=======================\n");    // 디바이스 dev 에 대한 packet capture    // descriptor 를얻어온다.      pcd = pcap_open_live(dev, BUFSIZ,  NONPROMISCUOUS, -1, errbuf);    if (pcd == NULL)    {        printf("%s\n", errbuf);        exit(1);    }        // 컴파일 옵션을 준다.    if (pcap_compile(pcd, &fp, argv[2], 0, netp) == -1)    {        printf("compile error\n");            exit(1);    }    // 컴파일 옵션대로 패킷필터 룰을 세팅한다.    if (pcap_setfilter(pcd, &fp) == -1)    {        printf("setfilter error\n");        exit(0);        }    // 지정된 횟수만큼 패킷캡쳐를 한다.    // pcap_setfilter 을 통과한 패킷이 들어올경우    // callback 함수를 호출하도록 한다.    pcap_loop(pcd, atoi(argv[1]), callback, NULL); }


컴파일 방법은 아래와 같다.
[root@localhost pcap_test]# gcc -o pcap_test pcap_test.c -lpcap -I/usr/include/pcap
               

다음은 필자의 Linux 박스에서 테스트한 결과이다.
[root@localhost pcap_test]# ./pcap_test -1 "port 80"
DEV : eth0
NET : 192.168.100.0
MSK : 255.255.255.0
=======================
IP 패킷
Version     : 4
Header Len  : 5
Ident       : 51804
TTL         : 64
Src Address : 192.168.100.130
Dst Address : 218.234.19.87
Src Port : 4996
Dst Port : 80
45000034ca5c400040065cfbc0a86482
daea1357138400502e7a303b2e7cc456
801021f0badb00000101080a0014e136
22631d7b485454502f312e3120323030
204f

IP 패킷
Version     : 4
Header Len  : 5
Ident       : 41787
TTL         : 54
Src Address : 218.234.19.87
Dst Address : 192.168.100.130
Src Port : 80
Dst Port : 4996



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5절. 결론
이상 간단하게 libpcap 의 사용방법에 대해서 알아보았다. 이번 글에서는 libpcap 의 사용법에만 초첨을 맞추고 있는데, 다음번 강좌에서는 몇가지 "응용" 에 대해서 알아보도록 하겠다.

주석
[1] Intrusion Detection System 의 줄임말 이며, 침입탐지 시스템을 말한다. 네트웍 침입탐지를 위한 NIDS, 호스트 침입탐지를 위한 HIDS 로 나눌수 있다. 일반적으로 IDS 라고 하면 네트웍 침입 탐지 시스템을 말한다.



출처 : http://joinc.co.kr/modules.php?name=new ··· 3Dnested