Linux下使用原始socket收发数据包

在Linux系统中，使用非原始的socket，可以收发TCP或者UDP等网络层数据包。如果要处理网络层以下的数据包，比如ICMP、ARP等，或者更底层，比如链路层数据包，就得使用原始socket了。

创建socket

创建socket要使用socket函数，socket函数的原型为：

#include <sys/types.h>  
#include <sys/socket.h>  int socket(int domain, int type, int protocol);

其中，domain比较常用的值有：

AF_UNIX Unix本地通讯
AF_INET IPv4网络协议
AF_INET6 IPv6网络协议
AF_NETLINK 内核用户界面设备
AF_PACKET 底层包设备

我们要处理网络层以下的数据包，就得使用AF_PACKET。

type比较常用的值有：

SOCK_STREAM 用于面向字节流的协议，如TCP
SOCK_DGRAM 用于面向数据报的协议，如UDP
SOCK_RAW 用于非处理的原始数据包

我们这里要使用SOCK_RAW。

protocol是要使用的网络协议。

如下代码，创建一个原始socket：

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>int raw_socket_new () {int fd;fd = socket (PF_PACKET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);if (fd < 0){fprintf (stderr, "socket error: %s\n", strerror (errno));}return fd;

绑定网口

如果我们处理非原始的数据包，可以使用网络层绑定IP，或者连接IP（其实socket也会自动绑定IP），协议栈会自动根据IP把数据包发往特定的网络接口，不需要绑定网口。

我们通过原始socket发送底层数据包，就需要绑定网口了。

绑定网口的方法很简单，先使用if_nametoindex函数，找到对应网口名的编号，之后设置到struct sockaddr_ll结构中，调用bind函数就行了。

｀if_nametoindex`的原型为：

#include <net/if.h>unsigned int if_nametoindex(const char *ifname);

struct sockaddr_ll的定义为：

#include <linux/if_packet.h>struct sockaddr_ll {  unsigned short  sll_family;  __be16          sll_protocol;  int             sll_ifindex;  unsigned short  sll_hatype;  unsigned char   sll_pkttype;  unsigned char   sll_halen;  unsigned char   sll_addr[8];  
};

以下函数，就把给定的网络接口，绑定到了给定的socket上：

#include <net/if.h>
#include <linux/if_packet.h>int raw_socket_bind(int fd, const char *eth) {struct sockaddr_ll sa;memset (&sa, 0, sizeof (struct sockaddr_ll));// 原始数据包sa.sll_family = AF_PACKET;// 自定义二层协议sa.sll_protocol = htons (CUSTOM_TYPE);sa.sll_ifindex = if_nametoindex (eth);if (bind (jdpdk->fd, (struct sockaddr *)&sa, sizeof (struct sockaddr_ll))!= 0){fprintf (stderr, "bind error: %s\n", strerror (errno));return -1;}return 0;
}

二层包结构

socket创建成功，绑定了网口，就可以发送自定义的二层数据包了。

根据TCP/IP标准，二层的数据包包头为14个字节，即6字节的目标MAC地址、6字节的源MAC地址再加2字节的包类型。

在net/ethernet.h中，结构定义为：

struct ether_header  
{uint8_t  ether_dhost[ETH_ALEN]; uint8_t  ether_shost[ETH_ALEN];uint16_t ether_type;
} __attribute__ ((__packed__));

在我们使用网口发送的时候，源MAC地址可以设成全0，但是目标MAC地址，必须设置。

我们可以实现一个组包函数，把给定的数据，设上预订的目标地址：

int raw_encode (const char *dst_mac, unsigned short type, const char *data, size_t data_len, char *packet, size_t packet_len) {assert (14 + data_len <= packet_len);memcpy (packet, dst_mac, 6);memset (packet + 6, 0, 6);* (unsigned short *) (packet + 12) = htons (type);memcpy (packet + 14, data, data_len);return 14 + data_len;
}

发送

发送函数就比较简单，跟网络层的发送没有区别。

int raw_send (int fd, const char *data, int data_len) {int ret;ret = send (fd, data, data_len, 0);  if (ret != data_len)  {  fprintf (stderr, "send error: %s\n", strerror (errno));       }return ret;
}

接收

接收函数也同样，只是记得接收成功以后，偏移14字节（即二层包头以后）才是我们的应用层数据：

int raw_recv (int fd, char *packet, size_t packet_len) {int ret;ret = recv (fd, packet, packet_len, 0);return ret;
}

原始socket示例：arp组包

根据TCP/IP协议，当我们网络层使用TCP、UDP或者ICMP等使用IP地址作为目标的数据包时，协议栈要查询本机的arp表，找到IP地址对应的MAC地址。

如果查询失败，就会发送arp请求，通过arp响应来得到目标MAC地址。

所以，arp协议有两种数据包：一种是arp请求，一种是arp响应。对应到arp结构中，就是操作码的值为1或者2。

在linux/if_arp.h中，有arp包的包头结构：

struct arphdr {  __be16          ar_hrd;__be16          ar_pro;unsigned char   ar_hln;unsigned char   ar_pln;__be16          ar_op;  
};

在arp的包体中，分别是发送MAC、发送IP、目标MAC与目标IP。

当arp请求的时候，设置arp包头中的操作码为1，另外设置发送MAC（即本机MAC）与目标IP，发送IP与目标MAC置空。

当arp响应的时候，设置arp包头中的操作码为2，另外设置发送MAC（即本机MAC）、发送IP（即本机IP）、目标MAC（即请求时的发送MAC），目标IP置空。

我们写一个组包函数：

#include <net/ethernet.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/if_ether.h>
#include <memory.h>void
buf_encode_arp (uint8_t *buf, uint16_t opcode, const uint8_t *source_mac,  const uint8_t *dst_mac, unsigned long sip, unsigned long dip)  
{struct ether_header *hdr;  hdr = (struct ether_header *)buf;  if (source_mac)  {  memcpy (hdr->ether_shost, source_mac, sizeof hdr->ether_shost);}// arp请求的时候，二层目标MAC地址填全0xFF，否则填全0memset (hdr->ether_dhost, opcode == 1 ? 0xFF : 0, sizeof hdr->ether_dhost);if (dst_mac)  {  memcpy (hdr->ether_dhost, dst_mac, sizeof hdr->ether_dhost);}hdr->ether_type = htons (ETHERTYPE_ARP);struct ether_arp *arp = (struct ether_arp *)(hdr + 1);// 设置arp包头arp->ea_hdr.ar_hrd = htons (1);arp->ea_hdr.ar_pro = htons (0x800);arp->ea_hdr.ar_hln = 6;arp->ea_hdr.ar_pln = sizeof (uint32_t);arp->ea_hdr.ar_op = htons (opcode);// 根据输入参数，设置arp包体memset (arp->arp_sha, 0, sizeof arp->arp_sha);if (source_mac)  {  memcpy (arp->arp_sha, source_mac, sizeof arp->arp_sha);}  memset (arp->arp_tha, 0, sizeof arp->arp_tha);if (dst_mac)  {  memcpy (arp->arp_tha, dst_mac, sizeof arp->arp_tha);}memcpy (&arp->arp_spa, &sip, 4);memcpy (&arp->arp_tpa, &dip, 4);
}