Packetbeat协议扩展开发教程（3）

原文链接：http://elasticsearch.cn/article/54

书接上回：http://elasticsearch.cn/article/53

前面介绍了Packetbeat的项目结构，今天终于要开始写代码了，想想还是有点小激动呢。（你快点吧，拖半天了）
网络传输两大协议TCP和UDP，我们的所有协议都不离这两种，HTTP、MySQL走的是TCP传输协议，DNS走的是UDP协议，在Packetbeat里面，实现一个自己的协议非常简单，继承并实现这两者对应的接口就行了，我们看一下长什么样：
打开一个现有的UDP和HTTP协议接口定义：
/~/go/src/github.com/elastic/beats/packetbeat/protos/protos.go

// Functions to be exported by a protocol plugin
type ProtocolPlugin interface {
	// Called to initialize the Plugin
	Init(test_mode bool, results publisher.Client) error

	// Called to return the configured ports
	GetPorts() int
}

type TcpProtocolPlugin interface {
	ProtocolPlugin

	// Called when TCP payload data is available for parsing.
	Parse(pkt *Packet, tcptuple *common.TcpTuple,
		dir uint8, private ProtocolData) ProtocolData

	// Called when the FIN flag is seen in the TCP stream.
	ReceivedFin(tcptuple *common.TcpTuple, dir uint8,
		private ProtocolData) ProtocolData

	// Called when a packets are missing from the tcp
	// stream.
	GapInStream(tcptuple *common.TcpTuple, dir uint8, nbytes int,
		private ProtocolData) (priv ProtocolData, drop bool)

	// ConnectionTimeout returns the per stream connection timeout.
	// Return <=0 to set default tcp module transaction timeout.
	ConnectionTimeout() time.Duration
}

type UdpProtocolPlugin interface {
	ProtocolPlugin

	// ParseUdp is invoked when UDP payload data is available for parsing.
	ParseUdp(pkt *Packet)
}

TcpProtocolPlugin：TCP协议插件的接口定义，依次是：Parse() 解析Packet，ReceivedFin()处理TCP断开连接，GapInStream()处理空包丢包，ConnectionTimeout()超时时间；
UdpProtocolPlugin: UDP协议的接口定义，UDP协议是不需要握手和保障数据可靠性的，扔出去就结束，速度快，不保证数据可靠送达，所以只有ParseUdp一个方法需要实现，比较简单；
ProtocolPlugin：TCP和UDP都需要实现ProtocolPlugin的基础接口，其实就定义了获取端口和初始化接口。

请问：
Packetbeat怎么工作的？

回答：
每一个协议都有一个固定的端口用于通信，你要做的事情就是定义协议端口，然后按协议是TCP还是UDP来实现对应的接口，Packetbeat将会截获指定端口的数据包（Packet），然后如果交给你定义的方法来进行解析，TCP是Parse，UDP是ParseUdp，都在上面的接口定义好的，然后将解析出来的结构化数据封装成Json，然后扔给Elasticsearch，后续的就的如何对这些数据做一些有趣的分析和应用了。

貌似很简单嘛！

进入每个端口的数据包，我们假设是一个自来水管，拧开80端口，哗啦啦出来的全是HTTP请求的数据包，Packetbeat里面Http协议监听的是80端口啊，所有这些包统统都交给Packetbeat里面的Http协议模块来进行解析，Http协议会一个个的检查这些数据包，也就是每个数据包都会调用一次Parse接口，到这里提到了传过来一个Packet，我们看看它的数据结构长什么样？

type Packet struct {
	Ts      time.Time
	Tuple   common.IpPortTuple
	Payload byte
}

Packet结构简单，
Ts是收到数据包的时间戳；
Tuple是一个来源IP+来源端口和目的IP+目的端口的元组；
Payload就是这个包里面的传输的有用的数据，应用层的字节数据，不包括IP和TCP/UDP头信息，是不是处理起来简单许多。

首选我们确定SMTP协议的配置，每个协议在packetbeat.yml的protocol下面都应该有一个配置节点，如下：

protocols:
  smtp:
    # Configure the ports where to listen for Smtp traffic. You can disable
    # the Smtp protocol by commenting out the list of ports.
    ports: [25]

还需要在对应的config类文件：packetbeat/config/config.go，增加SMTP的结构体，目前只支持一个端口参数，继承基类ProtocolCommon就行，如下：

git diff config/config.go
@@ -42,6 +42,7 @@ type Protocols struct {
        Pgsql    Pgsql
        Redis    Redis
        Thrift   Thrift
+       Smtp     Smtp
 }

 type Dns struct {
@@ -118,5 +119,9 @@ type Redis struct {
        Send_response *bool
 }

+type Smtp struct {
+	ProtocolCommon        `yaml:",inline"`
+}
+
 // Config Singleton
 var ConfigSingleton Config

在protos文件夹下面，新增smtp目录，并新增空白文件smtp.go，路径：packetbeat/protos/smtp/smtp.go，
这里就是解析SMTP协议的地方，也是我们扩展协议的主要的工作。

...TODO...

修改protos/protos.go，增加SMTP协议枚举，这里记得保证顺序一致，并且protocol名称必须和配置的节点名称一致，如这里都是smtp。

git diff protos/protos.go
@@ -103,6 +103,7 @@ const (
        MongodbProtocol
        DnsProtocol
        MemcacheProtocol
+       SmtpProtocol
 )

 // Protocol names
@@ -116,6 +117,7 @@ var ProtocolNames = string{
        "mongodb",
        "dns",
        "memcache",
+       "smtp",
 }

继续修改packetbeat.go主文件，允许SMTP协议并加载。

git diff packetbeat.go
@@ -27,6 +27,7 @@ import (
        "github.com/elastic/packetbeat/protos/tcp"
        "github.com/elastic/packetbeat/protos/thrift"
        "github.com/elastic/packetbeat/protos/udp"
+       "github.com/elastic/packetbeat/protos/smtp"
        "github.com/elastic/packetbeat/sniffer"
 )

@@ -43,6 +44,7 @@ var EnabledProtocolPlugins map[protos.Protocol]protos.ProtocolPlugin = map[proto
        protos.ThriftProtocol:   new(thrift.Thrift),
        protos.MongodbProtocol:  new(mongodb.Mongodb),
        protos.DnsProtocol:      new(dns.Dns),
+       protos.SmtpProtocol:      new(smtp.Smtp),
 }

做完上面一系列修改之后，一个空白的SMTP协议的插件的架子就搭好了，并且插件也注册到了Packetbeat里面了，接下来我们再把packetbeat/protos/smtp/smtp.go按照TCPplugin接口的要求实现一下。

说实话TCP处理起来很难，开始之前，我们先明确几个概念，TCP协议是有状态的，并且是流式的，我们关注的是七层应用层的消息，如HTTP里面的一个HTTP请求和返回，但是TCP底层都是一系列数据包，并且不同的请求的数据包是混杂在一起的，也就是说一个数据包里面可能只是一个HTTP请求的一部分也可能包含多条HTTP请求的一部分，所以Parse()里面需要处理跨数据包的状态信息，我们要把这些数据包和具体的七层的应用层的消息关联起来。

现在我们仔细看看Parse()接口的各个参数定义是做什么用的

Parse(pkt *Packet, tcptuple *common.TcpTuple,
		dir uint8, private ProtocolData) ProtocolData

pkt不用说了，是送进来的数据包，前面已经介绍了其数据结构，tcptuple是该数据包所属的TCP数据流所在的唯一标示（一个未关闭的TCP数据量包含若干数据包，直到TCP链接关闭），使用tcptuple.Hashable()获取唯一值；dir参数标示数据包在TCP数据流中的流向，和第一个TCP数据包方向一致是TcpDirectionOriginal，否则是TcpDirectionReverse；private参数可用来在TCP流中存储状态信息，可在运行时转换成具体的强类型，任意修改和传递给下一个Parse方法，简单来说就是进行中间数据的共享。

下面看段MySQL模块里面的例子

 priv := mysqlPrivateData{}
        if private != nil {
                var ok bool
                priv, ok = private.(mysqlPrivateData)
                if !ok {
                        priv = mysqlPrivateData{}
                }
        }

        [ ... ]

        return priv

上面的代码就是将private强制转换成mysqlPrivateData结构，然后再使用。
我们再继续看后续怎么处理这些包的一个逻辑例子

ok, complete := mysqlMessageParser(priv.Data[dir])
                if !ok {
                        // drop this tcp stream. Will retry parsing with the next
                        // segment in it
                        priv.Data[dir] = nil
                        logp.Debug("mysql", "Ignore MySQL message. Drop tcp stream.")
                        return priv
                }

                if complete {
                        mysql.messageComplete(tcptuple, dir, stream)
                } else {
                        // wait for more data
                        break
                }
                

mysqlMessageParser是一个解析mysql消息的方法，细节我们忽略，我们只需要关心它的返回，ok标示成功或者失败，true则继续处理，false表示数据包不能用，那就直接忽略；第二个参数complete表示判断这一个MySQL消息是否已经完整了，如果完整了，我们就可以扔出去了，否则继续等待剩下的消息内容。

好的，我们看看SMTP协议怎么折腾吧，先看看一个邮件交互的流程图，来自RFC5321：

由上图可见，发送端和邮件服务器通过一系列命令来执行邮件的发送，下面看看一个具体的命令操作流程(来源：https://zh.wikipedia.org/wiki/简单邮件传输协议)

S: 220 www.example.com ESMTP Postfix
C: HELO mydomain.com
S: 250 Hello mydomain.com
C: MAIL FROM:
S: 250 Ok
C: RCPT TO:
S: 250 Ok
C: DATA
S: 354 End data with .
C: Subject: test message
C: From:""< sender@mydomain.com>
C: To:""< friend@example.com>
C:
C: Hello,
C: This is a test.
C: Goodbye.
C: .
S: 250 Ok: queued as 12345
C: quit
S: 221 Bye

上面的过程可以看到就几个命令就能将邮件发送出去，但是其实SMTP协议比较复杂，还包括身份认证、附件、多媒体编码等等，我们今天精简一下，我们目前只关心谁给谁发了邮件，发送内容先不管，这样相比完整的SMTP协议(RFC5321)，我们只需要关注以下几个命令：
MAIL：开始一份邮件 mail　from: xxx@xx.com
RCPT: 标识单个的邮件接收人；常在mail命令后面 可有多个rcpt　to: xx@xx.com
QUIT：结束SMTP会话，不一定发送了邮件，注意
RESET:重置会话，当前传输被取消

最终希望通过Packetbeat将这些数据解析并处理成我们想要的如下JSON数据，即大功告成：

{
"timestamp":"2016-1-15 12:00:00",
"from":"medcl@example.co",
"to":["lcdem@example.co"]
}

我们还需要一个测试数据，这里有一个下载各种协议测试数据包的地方，由wireshark站点提供：https://wiki.wireshark.org/SampleCaptures/
Ctrl+F找到SMTP的下载地址：smtp.pcap
用wireshark打开我们刚刚下载的smtp.pcap文件，然后再输入过滤条件：tcp.port == 25，只看25端口的数据，如下图：

上图可以看到25端口的跑的数据有很多，不过我们只关心我们需要的那几个命令就好了。

打开/~/go/src/github.com/elastic/beats/packetbeat/protos/smtp/smtp.go
定义smtpPrivateData，里面的Data是一个数组，分别是TCP两个方向的数据，SmtpMessage是解析出来的邮件信息

type smtpPrivateData struct{
	Data [2]*SmtpStream
}

type SmtpStream struct {
	tcptuple *common.TcpTuple

	data byte

	parseOffset int
	isClient    bool
	message *SmtpMessage
}

type SmtpMessage struct {
	Ts   time.Time
	From string
	To string
}

然后参照MySQL协议，定义相应的方法，最终如下：

package smtp

import (
	"github.com/elastic/beats/libbeat/common"
	"github.com/elastic/beats/libbeat/logp"
	"github.com/elastic/beats/libbeat/publisher"
	"github.com/elastic/beats/packetbeat/config"
	"github.com/elastic/beats/packetbeat/protos"
	"github.com/elastic/beats/packetbeat/protos/tcp"
	"bytes"
	"time"
	"strings"
)

type smtpPrivateData struct{
	Data [2]*SmtpStream
}

type SmtpStream struct {
	tcptuple *common.TcpTuple

	data byte

	parseOffset int
	isClient    bool

	message *SmtpMessage
}

type SmtpMessage struct {
	start int
	end   int

	Ts   time.Time
	From string
	To string
	IgnoreMessage bool
}

type Smtp struct {
	SendRequest         bool
	SendResponse        bool
	transactionTimeout time.Duration
	Ports         int
	results publisher.Client
}

func (smtp *Smtp) initDefaults() {
	smtp.SendRequest = false
	smtp.SendResponse = false
	smtp.transactionTimeout = protos.DefaultTransactionExpiration
}

func (smtp *Smtp) setFromConfig(config config.Smtp) error {
	smtp.Ports = config.Ports
	if config.SendRequest != nil {
		smtp.SendRequest = *config.SendRequest
	}
	if config.SendResponse != nil {
		smtp.SendResponse = *config.SendResponse
	}

	if config.TransactionTimeout != nil && *config.TransactionTimeout > 0 {
		smtp.transactionTimeout = time.Duration(*config.TransactionTimeout) * time.Second
	}

	return nil
}

func (smtp *Smtp) GetPorts() int {
	return smtp.Ports
}

func (smtp *Smtp) Init(test_mode bool, results publisher.Client) error {
	smtp.initDefaults()

	if !test_mode {
		err := smtp.setFromConfig(config.ConfigSingleton.Protocols.Smtp)
		if err != nil {
			return err
		}
	}
	smtp.results = results

	return nil
}

func readLine(data byte, offset int) (bool, string, int) {
	q := bytes.Index(data[offset:], byte("\r\n"))
	if q == -1 {
		return false, "", 0
	}
	return true, string(data[offset : offset+q]), offset + q + 2
}

func (smtp *Smtp) Parse(pkt *protos.Packet, tcptuple *common.TcpTuple, dir uint8, private protos.ProtocolData, ) protos.ProtocolData {

	defer logp.Recover("ParseSmtp exception")

	priv := smtpPrivateData{}
	if private != nil {
		var ok bool
		priv, ok = private.(smtpPrivateData)
		if !ok {
			priv = smtpPrivateData{}
		}
	}

	if priv.Data[dir] == nil {
		priv.Data[dir] = &SmtpStream{
			tcptuple: tcptuple,
			data:     pkt.Payload,
			message:  &SmtpMessage{Ts: pkt.Ts},
		}
	} else {
		// concatenate bytes
		priv.Data[dir].data = append(priv.Data[dir].data, pkt.Payload...)
		if len(priv.Data[dir].data) > tcp.TCP_MAX_DATA_IN_STREAM {
			logp.Debug("smtp", "Stream data too large, dropping TCP stream")
			priv.Data[dir] = nil
			return priv
		}
	}

	stream := priv.Data[dir]
	for len(stream.data) > 0 {
		if stream.message == nil {
			stream.message = &SmtpMessage{Ts: pkt.Ts}
		}

		ok, complete := stmpMessageParser(priv.Data[dir])
		if !ok {
			// drop this tcp stream. Will retry parsing with the next
			// segment in it
			priv.Data[dir] = nil
			logp.Debug("smtp", "Ignore SMTP message. Drop tcp stream. Try parsing with the next segment")
			return priv
		}

		if complete {
			smtp.messageComplete(tcptuple, dir, stream)
		} else {
			logp.Debug("smtp","still wait message...")
			// wait for more data
			break
		}
	}

	return priv
}

func (smtp *Smtp) ConnectionTimeout() time.Duration {
	return smtp.transactionTimeout
}

func stmpMessageParser(s *SmtpStream) (bool, bool) {

	var value string=""

	for s.parseOffset < len(s.data) {

		logp.Debug("smtp", "Parse message: %s", string(s.data[s.parseOffset]))

		if strings.HasPrefix(string(s.data[s.parseOffset]),"MAIL" ) {

			logp.Debug("smtp", "Hit MAIL command: %s", string(s.data[s.parseOffset]))

			found, line, off := readLine(s.data, s.parseOffset)
			if !found {
				return true, false
			}

			value = line[1:]
			logp.Debug("smtp", "value  %s", value)

			s.parseOffset = off
		} else {
			logp.Debug("smtp", "Unexpected message starting with %s", s.data[s.parseOffset:])
			return false, false
		}
	}

	return true, false
}

func handleSmtp(stmp *Smtp, m *SmtpMessage, tcptuple *common.TcpTuple,
dir uint8, raw_msg byte) {
	logp.Info("smtp","handle smtp message...")

	//TODO

}

// Called when the parser has identified a full message.
func (smtp *Smtp) messageComplete(tcptuple *common.TcpTuple, dir uint8, stream *SmtpStream) {

	logp.Info("smtp","message completed...")

	// all ok, ship it
	msg := stream.data[stream.message.start:stream.message.end]

	if !stream.message.IgnoreMessage {
		handleSmtp(smtp, stream.message, tcptuple, dir, msg)
	}

	// and reset message
	stream.PrepareForNewMessage()
}

func (stream *SmtpStream) PrepareForNewMessage() {
	logp.Info("smtp","prepare for new message...")

	stream.data = stream.data[stream.parseOffset:]
	stream.parseOffset = 0
	stream.isClient = false
	stream.message = nil
}

func (smtp *Smtp) GapInStream(tcptuple *common.TcpTuple, dir uint8,
nbytes int, private protos.ProtocolData) (priv protos.ProtocolData, drop bool) {

	defer logp.Recover("GapInStream(smtp) exception")

	if private == nil {
		return private, false
	}

	return private, true
}

func (smtp *Smtp) ReceivedFin(tcptuple *common.TcpTuple, dir uint8,
private protos.ProtocolData) protos.ProtocolData {

	logp.Info("smtp","stream closed...")

	// TODO: check if we have data pending and either drop it to free
	// memory or send it up the stack.
	return private
}

现在切换到命令行，编译一下

cd ~/go/src/github.com/elastic/beats/packetbeat
make

编译成功，一个滚烫的packetbeat可执行文件就躺在当前目录下了，运行一下先，参数-I 指定pcap文件（还记得前面下载的那个测试文件吧）

./packetbeat -d "smtp" -c etc/packetbeat.yml -I ~/Downloads/smtp.pcap  -e -N

运行查看控制台输出结果:

➜  packetbeat git:(smtpbeat) ✗ ./packetbeat -d "smtp" -c etc/packetbeat.yml -I ~/Downloads/smtp.pcap  -e -N
2016/01/15 10:12:19.058535 publish.go:191: INFO Dry run mode. All output types except the file based one are disabled.
2016/01/15 10:12:19.058570 geolite.go:24: INFO GeoIP disabled: No paths were set under output.geoip.paths
2016/01/15 10:12:19.058592 publish.go:262: INFO Publisher name: medcls-MacBook.local
2016/01/15 10:12:19.058724 beat.go:145: INFO Init Beat: packetbeat; Version: 1.0.0
2016/01/15 10:12:19.059758 beat.go:171: INFO packetbeat sucessfully setup. Start running.
2016/01/15 10:12:20.155335 smtp.go:163: DBG  Parse message: 2
2016/01/15 10:12:20.155416 smtp.go:180: DBG  Unexpected message starting with 250-xc90.websitewelcome.com Hello GP [122.162.143.157]
250-SIZE 52428800
250-PIPELINING
250-AUTH PLAIN LOGIN
250-STARTTLS
250 HELP
2016/01/15 10:12:22.310974 smtp.go:163: DBG  Parse message: F
2016/01/15 10:12:22.311025 smtp.go:180: DBG  Unexpected message starting with From: "Gurpartap Singh"
To:
Subject: SMTP
Date: Mon, 5 Oct 2009 11:36:07 +0530
Message-ID: <000301ca4581$ef9e57f0$cedb07d0$@in>
MIME-Version: 1.0
...

成功了，邮件内容都在控制台输出了，但这还不是我们要的最终结果，我需要里面的关键信息，我们继续修改smtp.go这个文件。
留待下回分解。