什么是CLinux中的原始套接字？它们如何工作？

clinux原始套接字

一、基本概念

原始套接字（Raw Socket）是一种特殊的网络套接字，它允许应用程序直接访问底层传输协议，绕过操作系统提供的传输层接口，这种套接字通常用于实现新的协议或对现有协议进行低级别的操作，如自定义IP包的构造和发送，在Linux中，原始套接字广泛应用于网络诊断工具（如ping、traceroute）、网络攻击与防御以及某些类型的网络测试。

二、创建方法

创建原始套接字的过程与创建其他类型的套接字相似，但需要指定特定的协议族（如AF_INET表示IPv4）和套接字类型（SOCK_RAW表示原始套接字），以下是一个创建用于IPv4和ICMP的原始套接字的示例：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
if (sockfd == -1) {
    perror("socket");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

三、权限需求

由于原始套接字允许直接访问底层协议，并可能被用于伪造数据包，因此它通常需要特殊权限（如root权限）才能创建和使用。

四、工作方式

发送数据

当使用原始套接字发送数据时，应用程序需要负责构建完整的传输层头部（如TCP、UDP或ICMP头部），这给了我们控制头部字段的能力，例如伪造源IP地址，以下是一个发送自定义ICMP回显请求的示例：

struct icmphdr hdr;
memset(&hdr, 0, sizeof(hdr));
hdr.type = ICMP_ECHO;
hdr.code = 0;
hdr.checksum = 0;
hdr.un.echo.id = getpid();
for (int i = 0; i < sizeof(hdr)/2; i++) {
    hdr.checksum += ((u_short *)&hdr)[i];
}
hdr.checksum += (hdr.checksum >> 16);
sendto(sockfd, &hdr, sizeof(hdr), 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));

接收数据

当使用原始套接字接收数据时，会得到底层协议的完整头部，应用程序需要解析这些头部以获取所需的信息，以下是一个接收ICMP回显应答的示例：

char buffer[BUFFER_SIZE];
recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, NULL, NULL);
struct icmphdr *recv_icmp = (struct icmphdr *)buffer;
if (recv_icmp->type == ICMP_ECHOREPLY) {
    printf("Received ICMP echo reply
");
}

五、用途与限制

用途

网络诊断工具：如ping、traceroute等，用于测试网络连通性和诊断网络问题。

网络攻击与防御：用于实现自定义的网络攻击或防御策略。

网络测试：用于测试网络协议的正确性和性能。

限制

操作系统处理：大多数操作系统默认会处理某些协议（如ICMP回显请求和回显应答），这可能会导致原始套接字无法接收到这些协议的数据包。

跨平台差异：不同的操作系统在实现和行为上可能存在细微差别，这需要在编写跨平台代码时特别注意。

安全风险：由于原始套接字的强大功能，滥用可能导致网络安全问题或被视为恶意活动。

六、链路层原始套接字

链路层原始套接字允许直接与链路层设备（如以太网适配器）交互，发送和接收链路层帧（如以太网帧），这对于需要直接处理链路层数据的应用非常有用，如包捕获工具、桥接和交换应用程序。

创建一个链路层原始套接字的示例如下：

int sockfd = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_ALL));
if (sockfd == -1) {
    perror("socket");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

绑定到特定网络接口并启用混杂模式的示例如下：

struct sockaddr_ll sa;
memset(&sa, 0, sizeof(struct sockaddr_ll));
sa.sll_family = AF_PACKET;
sa.sll_protocol = htons(ETH_P_ALL);
sa.sll_ifindex = if_nametoindex("eth0");
if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&sa, sizeof(struct sockaddr_ll)) == -1) {
    perror("bind");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
// Enable promiscuous mode
strncpy(ifr.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ);
if (ioctl(sockfd, SIOCGIFFLAGS, &ifr) == -1) {
    perror("ioctl SIOCGIFFLAGS");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}
ifr.ifr_flags |= IFF_PROMISC;
if (ioctl(sockfd, SIOCSIFFLAGS, &ifr) == -1) {
    perror("ioctl SIOCSIFFLAGS");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

发送和接收链路层帧的示例如下：

// Send a frame
char frame[] = { /* Ethernet frame data */ };
sendto(sockfd, frame, sizeof(frame), 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
// Receive a frame
char buffer[BUFFER_SIZE];
recvfrom(sockfd, buffer, BUFFER_SIZE, 0, NULL, NULL);

七、注意事项与常见问题解答

问题1：如何确保原始套接字发送的数据包格式正确？

答：由于原始套接字需要手动构建数据包，因此必须仔细按照协议规范构建数据包，并计算校验和等必要字段，建议参考相关RFC文档或使用现有的库函数来辅助构建。

问题2：为什么原始套接字无法接收某些协议的数据包？

答：这是因为操作系统可能会对某些协议（如ICMP回显请求和回显应答）进行特殊处理，导致这些数据包不会被传递给原始套接字，可以通过设置套接字选项或使用其他机制来绕过这种限制。

问题3：如何在多网卡系统中指定原始套接字使用的网络接口？

答：可以使用bind函数将原始套接字绑定到指定的网络接口，在绑定之前，需要查找网络接口的索引号，并将其设置为sockaddr_ll结构体的sll_ifindex字段。

小伙伴们，上文介绍了“clinux原始套接字”的内容，你了解清楚吗？希望对你有所帮助，任何问题可以给我留言，让我们下期再见吧。