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Linux内核IPv4-RAW套接字深度解析从数据包构造到可靠传输的挑战

Linux内核IPv4 RAW套接字深度解析:从数据包构造到可靠传输的挑战

引言

在网络编程的世界中,RAW套接字提供了最底层的网络访问能力,允许开发者直接与网络层交互。Linux内核中的net/ipv4/raw.c文件实现了IPv4 RAW套接字的核心功能,为应用程序提供了自定义IP数据包和直接操作IP头部的能力。本文将深入分析Linux 4.19内核中RAW套接字的实现机制,探讨如何利用这一强大功能,并阐明为何基于RAW套接字实现可靠传输是一项极具挑战性的任务。

一、RAW套接字的核心实现机制

1.1 哈希表管理与套接字查找

Linux内核使用哈希表来高效管理RAW套接字。在net/ipv4/raw.c中,核心数据结构是raw_hashinfo

c


struct raw_hashinfo raw_v4_hashinfo = {
    .lock = __RW_LOCK_UNLOCKED(raw_v4_hashinfo.lock),
};

这个全局哈希表通过协议号将套接字分布到不同的桶中,每个桶使用读写锁保护,确保并发访问的安全性。当网络栈需要将接收到的IP数据包传递给RAW套接字时,会调用raw_v4_input函数:

c


static int raw_v4_input(struct sk_buff *skb, const struct iphdr *iph, int hash)
{
    // 根据协议号和地址查找匹配的RAW套接字
    // ...
}

该函数根据IP头部的协议号、源地址和目标地址等信息,在哈希表中查找匹配的套接字,并将数据包传递给所有符合条件的套接字。

1.2 数据包接收与传递

当RAW套接字接收到数据包时,raw_rcv函数负责处理:

c


int raw_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
    if (!xfrm4_policy_check(sk, XFRM_POLICY_IN, skb)) {
        atomic_inc(&sk->sk_drops);
        kfree_skb(skb);
        return NET_RX_DROP;
    }
    nf_reset(skb);
    skb_push(skb, skb->data - skb_network_header(skb));
    raw_rcv_skb(sk, skb);
    return 0;
}

这个函数首先进行安全策略检查,然后调整SKB指针以确保网络头正确,最后将数据包放入套接字的接收队列。

二、构造和发送自定义IP数据包

2.1 开启RAW套接字与IP_HDRINCL选项

要自定义IP数据包,首先需要创建RAW套接字并设置IP_HDRINCL选项:

c


int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
int hincl = 1;
setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &hincl, sizeof(hincl));

设置IP_HDRINCL选项后,内核将不会自动构造IP头部,而是完全由应用程序负责构造完整的IP数据包。

2.2 构造IP头部

应用程序需要自行填充IP头部结构:

c


struct ipheader {
    unsigned char      iph_ihl:4, iph_ver:4;
    unsigned char      iph_tos;
    unsigned short int iph_len;
    unsigned short int iph_ident;
    unsigned short int iph_flags:3, iph_offset:13;
    unsigned char      iph_ttl;
    unsigned char      iph_protocol;
    unsigned short int iph_chksum;
    struct in_addr     iph_sourceip;
    struct in_addr     iph_destip;
};

填充完毕后,需要计算校验和以确保数据完整性:

c


unsigned short calculate_checksum(unsigned short *ptr, int nbytes) {
    register long sum;
    unsigned short oddbyte;
    register short answer;
    
    sum = 0;
    while (nbytes > 1) {
        sum += *ptr++;
        nbytes -= 2;
    }
    // ... 校验和计算逻辑
    return answer;
}

2.3 发送自定义数据包

通过sendto系统调用发送构造好的数据包:

c


struct sockaddr_in dest_addr;
memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family = AF_INET;
inet_pton(AF_INET, "192.168.1.1", &(dest_addr.sin_addr));

sendto(sockfd, packet, packet_len, 0, 
       (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));

在内核中,这一操作最终由raw_sendmsg函数处理,该函数根据是否设置了IP_HDRINCL选项决定是调用raw_send_hdrinc直接发送应用程序构造的数据包,还是由内核协助构造IP头部。

三、可靠传输的挑战与实现难度

虽然RAW套接字提供了强大的底层网络访问能力,但基于它实现可靠传输面临着巨大挑战。

3.1 TCP可靠传输机制的复杂性

TCP通过多种机制提供可靠传输服务,包括:

  1. 序列号与确认机制:确保数据有序到达和确认
  2. 超时重传机制:处理丢失的数据包
  3. 流量控制:通过滑动窗口防止接收方过载
  4. 拥塞控制:动态调整发送速率避免网络拥塞
  5. 连接管理:三次握手建立连接,四次挥手终止连接

这些机制在内核中经过数十年的优化和调试,形成了极为复杂的实现。

3.2 在应用层重新实现传输层的挑战

当使用RAW套接字时,开发者需要在应用层重新实现所有这些机制:

c


// 需要在应用层定义类似TCP的协议头
struct my_protocol_header {
    uint32_t sequence_number; // 手动管理序列号
    uint32_t ack_number;      // 手动管理确认号
    uint8_t  flags;           // 自定义标志位
    uint16_t window_size;     // 手动窗口通告
    uint16_t checksum;        // 应用层校验和
};

这要求开发者:

  1. 实现精确的超时重传计时器,包括动态RTT估算
  2. 处理复杂的拥塞控制算法(如BIC、CUBIC或BBR)
  3. 管理连接状态和序列号空间
  4. 处理各种边界情况和错误条件

3.3 性能与效率问题

即使成功在应用层实现了可靠传输机制,其性能也往往远低于内核实现:

  1. 上下文切换开销:每次数据包处理都需要在用户空间和内核空间之间切换
  2. 内存拷贝开销:数据需要在用户空间缓冲区和内核SKB之间来回拷贝
  3. 计时器精度:用户空间的计时器精度通常低于内核空间
  4. 并发处理:难以高效处理大量并发连接

四、RAW套接字的适用场景

虽然实现可靠传输极为困难,但RAW套接字在特定场景下非常有用:

  1. 网络诊断工具:实现自定义的ping、traceroute等工具
  2. 协议研究:实验新的网络协议或扩展现有协议
  3. 网络安全:开发入侵检测系统或进行安全测试
  4. 特殊网络设备:实现路由器、防火墙等网络设备的功能
  5. 实时音视频传输:对延迟极其敏感的应用,可以牺牲一定可靠性换取低延迟

五、内核与用户空间的协作

Linux内核的RAW套接字实现体现了内核与用户空间的高效协作模式:

  1. 内存管理:内核使用SKB缓冲区管理网络数据包,用户空间通过系统调用访问这些数据
  2. 协议处理:内核处理底层的IP协议,用户空间可以专注于应用层逻辑
  3. 并发控制:内核通过锁机制保护共享资源,用户空间无需关心并发问题
  4. 错误处理:内核提供统一的错误处理机制,用户空间可以通过返回值获取错误信息

结论

Linux内核中的RAW套接字实现为应用程序提供了直接访问网络层的强大能力,使得自定义IP数据包和协议成为可能。然而,这种能力伴随着巨大的责任和挑战。

虽然技术上可以在应用层基于RAW套接字重新实现TCP的所有可靠传输机制,但这实际上是一项极其复杂且效率低下的任务。内核中的TCP实现经过数十年的优化和调试,处理了各种网络条件和边界情况,提供了高性能的可靠传输服务。

对于绝大多数应用场景,直接使用内核提供的TCP套接字是更加明智和高效的选择。RAW套接字更适合那些需要底层网络访问的特殊应用,如网络诊断、协议研究和网络安全工具等。

理解RAW套接字的工作原理和限制,有助于开发者做出更加合理的技术选型,并在确实需要底层网络访问时,能够更加高效和安全地利用这一强大功能。

https://i-blog.csdnimg.cn/direct/ccdcb065a07942658c3a666c295dbe31.png

net\ipv4\raw.c


/*
 * INET		An implementation of the TCP/IP protocol suite for the LINUX
 *		operating system.  INET is implemented using the  BSD Socket
 *		interface as the means of communication with the user level.
 *
 *		RAW - implementation of IP "raw" sockets.
 *
 * Authors:	Ross Biro
 *		Fred N. van Kempen, <waltje@uWalt.NL.Mugnet.ORG>
 *
 * Fixes:
 *		Alan Cox	:	verify_area() fixed up
 *		Alan Cox	:	ICMP error handling
 *		Alan Cox	:	EMSGSIZE if you send too big a packet
 *		Alan Cox	: 	Now uses generic datagrams and shared
 *					skbuff library. No more peek crashes,
 *					no more backlogs
 *		Alan Cox	:	Checks sk->broadcast.
 *		Alan Cox	:	Uses skb_free_datagram/skb_copy_datagram
 *		Alan Cox	:	Raw passes ip options too
 *		Alan Cox	:	Setsocketopt added
 *		Alan Cox	:	Fixed error return for broadcasts
 *		Alan Cox	:	Removed wake_up calls
 *		Alan Cox	:	Use ttl/tos
 *		Alan Cox	:	Cleaned up old debugging
 *		Alan Cox	:	Use new kernel side addresses
 *	Arnt Gulbrandsen	:	Fixed MSG_DONTROUTE in raw sockets.
 *		Alan Cox	:	BSD style RAW socket demultiplexing.
 *		Alan Cox	:	Beginnings of mrouted support.
 *		Alan Cox	:	Added IP_HDRINCL option.
 *		Alan Cox	:	Skip broadcast check if BSDism set.
 *		David S. Miller	:	New socket lookup architecture.
 *
 *		This program is free software; you can redistribute it and/or
 *		modify it under the terms of the GNU General Public License
 *		as published by the Free Software Foundation; either version
 *		2 of the License, or (at your option) any later version.
 */

#include <linux/types.h>
#include <linux/atomic.h>
#include <asm/byteorder.h>
#include <asm/current.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <asm/ioctls.h>
#include <linux/stddef.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/export.h>
#include <linux/spinlock.h>
#include <linux/sockios.h>
#include <linux/socket.h>
#include <linux/in.h>
#include <linux/mroute.h>
#include <linux/netdevice.h>
#include <linux/in_route.h>
#include <linux/route.h>
#include <linux/skbuff.h>
#include <linux/igmp.h>
#include <net/net_namespace.h>
#include <net/dst.h>
#include <net/sock.h>
#include <linux/ip.h>
#include <linux/net.h>
#include <net/ip.h>
#include <net/icmp.h>
#include <net/udp.h>
#include <net/raw.h>
#include <net/snmp.h>
#include <net/tcp_states.h>
#include <net/inet_common.h>
#include <net/checksum.h>
#include <net/xfrm.h>
#include <linux/rtnetlink.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/netfilter.h>
#include <linux/netfilter_ipv4.h>
#include <linux/compat.h>
#include <linux/uio.h>

struct raw_frag_vec {
	struct msghdr *msg;
	union {
		struct icmphdr icmph;
		char c[1];
	} hdr;
	int hlen;
};

struct raw_hashinfo raw_v4_hashinfo = {
	.lock = __RW_LOCK_UNLOCKED(raw_v4_hashinfo.lock),
};
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_v4_hashinfo);

int raw_hash_sk(struct sock *sk)
{
	struct raw_hashinfo *h = sk->sk_prot->h.raw_hash;
	struct hlist_head *head;

	head = &h->ht[inet_sk(sk)->inet_num & (RAW_HTABLE_SIZE - 1)];

	write_lock_bh(&h->lock);
	sk_add_node(sk, head);
	sock_prot_inuse_add(sock_net(sk), sk->sk_prot, 1);
	write_unlock_bh(&h->lock);

	return 0;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_hash_sk);

void raw_unhash_sk(struct sock *sk)
{
	struct raw_hashinfo *h = sk->sk_prot->h.raw_hash;

	write_lock_bh(&h->lock);
	if (sk_del_node_init(sk))
		sock_prot_inuse_add(sock_net(sk), sk->sk_prot, -1);
	write_unlock_bh(&h->lock);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_unhash_sk);

struct sock *__raw_v4_lookup(struct net *net, struct sock *sk,
			     unsigned short num, __be32 raddr, __be32 laddr,
			     int dif, int sdif)
{
	sk_for_each_from(sk) {
		struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);

		if (net_eq(sock_net(sk), net) && inet->inet_num == num	&&
		    !(inet->inet_daddr && inet->inet_daddr != raddr) 	&&
		    !(inet->inet_rcv_saddr && inet->inet_rcv_saddr != laddr) &&
		    !(sk->sk_bound_dev_if && sk->sk_bound_dev_if != dif &&
		      sk->sk_bound_dev_if != sdif))
			goto found; /* gotcha */
	}
	sk = NULL;
found:
	return sk;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(__raw_v4_lookup);

/*
 *	0 - deliver
 *	1 - block
 */
static int icmp_filter(const struct sock *sk, const struct sk_buff *skb)
{
	struct icmphdr _hdr;
	const struct icmphdr *hdr;

	hdr = skb_header_pointer(skb, skb_transport_offset(skb),
				 sizeof(_hdr), &_hdr);
	if (!hdr)
		return 1;

	if (hdr->type < 32) {
		__u32 data = raw_sk(sk)->filter.data;

		return ((1U << hdr->type) & data) != 0;
	}

	/* Do not block unknown ICMP types */
	return 0;
}

/* IP input processing comes here for RAW socket delivery.
 * Caller owns SKB, so we must make clones.
 *
 * RFC 1122: SHOULD pass TOS value up to the transport layer.
 * -> It does. And not only TOS, but all IP header.
 */
static int raw_v4_input(struct sk_buff *skb, const struct iphdr *iph, int hash)
{
	int sdif = inet_sdif(skb);
	struct sock *sk;
	struct hlist_head *head;
	int delivered = 0;
	struct net *net;

	read_lock(&raw_v4_hashinfo.lock);
	head = &raw_v4_hashinfo.ht[hash];
	if (hlist_empty(head))
		goto out;

	net = dev_net(skb->dev);
	sk = __raw_v4_lookup(net, __sk_head(head), iph->protocol,
			     iph->saddr, iph->daddr,
			     skb->dev->ifindex, sdif);

	while (sk) {
		delivered = 1;
		if ((iph->protocol != IPPROTO_ICMP || !icmp_filter(sk, skb)) &&
		    ip_mc_sf_allow(sk, iph->daddr, iph->saddr,
				   skb->dev->ifindex, sdif)) {
			struct sk_buff *clone = skb_clone(skb, GFP_ATOMIC);

			/* Not releasing hash table! */
			if (clone)
				raw_rcv(sk, clone);
		}
		sk = __raw_v4_lookup(net, sk_next(sk), iph->protocol,
				     iph->saddr, iph->daddr,
				     skb->dev->ifindex, sdif);
	}
out:
	read_unlock(&raw_v4_hashinfo.lock);
	return delivered;
}

int raw_local_deliver(struct sk_buff *skb, int protocol)
{
	int hash;
	struct sock *raw_sk;

	hash = protocol & (RAW_HTABLE_SIZE - 1);
	raw_sk = sk_head(&raw_v4_hashinfo.ht[hash]);

	/* If there maybe a raw socket we must check - if not we
	 * don't care less
	 */
	if (raw_sk && !raw_v4_input(skb, ip_hdr(skb), hash))
		raw_sk = NULL;

	return raw_sk != NULL;

}

static void raw_err(struct sock *sk, struct sk_buff *skb, u32 info)
{
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
	const int type = icmp_hdr(skb)->type;
	const int code = icmp_hdr(skb)->code;
	int err = 0;
	int harderr = 0;

	if (type == ICMP_DEST_UNREACH && code == ICMP_FRAG_NEEDED)
		ipv4_sk_update_pmtu(skb, sk, info);
	else if (type == ICMP_REDIRECT) {
		ipv4_sk_redirect(skb, sk);
		return;
	}

	/* Report error on raw socket, if:
	   1. User requested ip_recverr.
	   2. Socket is connected (otherwise the error indication
	      is useless without ip_recverr and error is hard.
	 */
	if (!inet->recverr && sk->sk_state != TCP_ESTABLISHED)
		return;

	switch (type) {
	default:
	case ICMP_TIME_EXCEEDED:
		err = EHOSTUNREACH;
		break;
	case ICMP_SOURCE_QUENCH:
		return;
	case ICMP_PARAMETERPROB:
		err = EPROTO;
		harderr = 1;
		break;
	case ICMP_DEST_UNREACH:
		err = EHOSTUNREACH;
		if (code > NR_ICMP_UNREACH)
			break;
		err = icmp_err_convert[code].errno;
		harderr = icmp_err_convert[code].fatal;
		if (code == ICMP_FRAG_NEEDED) {
			harderr = inet->pmtudisc != IP_PMTUDISC_DONT;
			err = EMSGSIZE;
		}
	}

	if (inet->recverr) {
		const struct iphdr *iph = (const struct iphdr *)skb->data;
		u8 *payload = skb->data + (iph->ihl << 2);

		if (inet->hdrincl)
			payload = skb->data;
		ip_icmp_error(sk, skb, err, 0, info, payload);
	}

	if (inet->recverr || harderr) {
		sk->sk_err = err;
		sk->sk_error_report(sk);
	}
}

void raw_icmp_error(struct sk_buff *skb, int protocol, u32 info)
{
	int hash;
	struct sock *raw_sk;
	const struct iphdr *iph;
	struct net *net;

	hash = protocol & (RAW_HTABLE_SIZE - 1);

	read_lock(&raw_v4_hashinfo.lock);
	raw_sk = sk_head(&raw_v4_hashinfo.ht[hash]);
	if (raw_sk) {
		int dif = skb->dev->ifindex;
		int sdif = inet_sdif(skb);

		iph = (const struct iphdr *)skb->data;
		net = dev_net(skb->dev);

		while ((raw_sk = __raw_v4_lookup(net, raw_sk, protocol,
						iph->daddr, iph->saddr,
						dif, sdif)) != NULL) {
			raw_err(raw_sk, skb, info);
			raw_sk = sk_next(raw_sk);
			iph = (const struct iphdr *)skb->data;
		}
	}
	read_unlock(&raw_v4_hashinfo.lock);
}

static int raw_rcv_skb(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	/* Charge it to the socket. */

	ipv4_pktinfo_prepare(sk, skb);
	if (sock_queue_rcv_skb(sk, skb) < 0) {
		kfree_skb(skb);
		return NET_RX_DROP;
	}

	return NET_RX_SUCCESS;
}

int raw_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	if (!xfrm4_policy_check(sk, XFRM_POLICY_IN, skb)) {
		atomic_inc(&sk->sk_drops);
		kfree_skb(skb);
		return NET_RX_DROP;
	}
	nf_reset(skb);

	skb_push(skb, skb->data - skb_network_header(skb));

	raw_rcv_skb(sk, skb);
	return 0;
}

static int raw_send_hdrinc(struct sock *sk, struct flowi4 *fl4,
			   struct msghdr *msg, size_t length,
			   struct rtable **rtp, unsigned int flags,
			   const struct sockcm_cookie *sockc)
{
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
	struct net *net = sock_net(sk);
	struct iphdr *iph;
	struct sk_buff *skb;
	unsigned int iphlen;
	int err;
	struct rtable *rt = *rtp;
	int hlen, tlen;

	if (length > rt->dst.dev->mtu) {
		ip_local_error(sk, EMSGSIZE, fl4->daddr, inet->inet_dport,
			       rt->dst.dev->mtu);
		return -EMSGSIZE;
	}
	if (length < sizeof(struct iphdr))
		return -EINVAL;

	if (flags&MSG_PROBE)
		goto out;

	hlen = LL_RESERVED_SPACE(rt->dst.dev);
	tlen = rt->dst.dev->needed_tailroom;
	skb = sock_alloc_send_skb(sk,
				  length + hlen + tlen + 15,
				  flags & MSG_DONTWAIT, &err);
	if (!skb)
		goto error;
	skb_reserve(skb, hlen);

	skb->priority = sk->sk_priority;
	skb->mark = sk->sk_mark;
	skb->tstamp = sockc->transmit_time;
	skb_dst_set(skb, &rt->dst);
	*rtp = NULL;

	skb_reset_network_header(skb);
	iph = ip_hdr(skb);
	skb_put(skb, length);

	skb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;

	sock_tx_timestamp(sk, sockc->tsflags, &skb_shinfo(skb)->tx_flags);

	if (flags & MSG_CONFIRM)
		skb_set_dst_pending_confirm(skb, 1);

	skb->transport_header = skb->network_header;
	err = -EFAULT;
	if (memcpy_from_msg(iph, msg, length))
		goto error_free;

	iphlen = iph->ihl * 4;

	/*
	 * We don't want to modify the ip header, but we do need to
	 * be sure that it won't cause problems later along the network
	 * stack.  Specifically we want to make sure that iph->ihl is a
	 * sane value.  If ihl points beyond the length of the buffer passed
	 * in, reject the frame as invalid
	 */
	err = -EINVAL;
	if (iphlen > length)
		goto error_free;

	if (iphlen >= sizeof(*iph)) {
		if (!iph->saddr)
			iph->saddr = fl4->saddr;
		iph->check   = 0;
		iph->tot_len = htons(length);
		if (!iph->id)
			ip_select_ident(net, skb, NULL);

		iph->check = ip_fast_csum((unsigned char *)iph, iph->ihl);
		skb->transport_header += iphlen;
		if (iph->protocol == IPPROTO_ICMP &&
		    length >= iphlen + sizeof(struct icmphdr))
			icmp_out_count(net, ((struct icmphdr *)
				skb_transport_header(skb))->type);
	}

	err = NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_OUT,
		      net, sk, skb, NULL, rt->dst.dev,
		      dst_output);
	if (err > 0)
		err = net_xmit_errno(err);
	if (err)
		goto error;
out:
	return 0;

error_free:
	kfree_skb(skb);
error:
	IP_INC_STATS(net, IPSTATS_MIB_OUTDISCARDS);
	if (err == -ENOBUFS && !inet->recverr)
		err = 0;
	return err;
}

static int raw_probe_proto_opt(struct raw_frag_vec *rfv, struct flowi4 *fl4)
{
	int err;

	if (fl4->flowi4_proto != IPPROTO_ICMP)
		return 0;

	/* We only need the first two bytes. */
	rfv->hlen = 2;

	err = memcpy_from_msg(rfv->hdr.c, rfv->msg, rfv->hlen);
	if (err)
		return err;

	fl4->fl4_icmp_type = rfv->hdr.icmph.type;
	fl4->fl4_icmp_code = rfv->hdr.icmph.code;

	return 0;
}

static int raw_getfrag(void *from, char *to, int offset, int len, int odd,
		       struct sk_buff *skb)
{
	struct raw_frag_vec *rfv = from;

	if (offset < rfv->hlen) {
		int copy = min(rfv->hlen - offset, len);

		if (skb->ip_summed == CHECKSUM_PARTIAL)
			memcpy(to, rfv->hdr.c + offset, copy);
		else
			skb->csum = csum_block_add(
				skb->csum,
				csum_partial_copy_nocheck(rfv->hdr.c + offset,
							  to, copy, 0),
				odd);

		odd = 0;
		offset += copy;
		to += copy;
		len -= copy;

		if (!len)
			return 0;
	}

	offset -= rfv->hlen;

	return ip_generic_getfrag(rfv->msg, to, offset, len, odd, skb);
}

static int raw_sendmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len)
{
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
	struct net *net = sock_net(sk);
	struct ipcm_cookie ipc;
	struct rtable *rt = NULL;
	struct flowi4 fl4;
	int free = 0;
	__be32 daddr;
	__be32 saddr;
	u8  tos;
	int err;
	struct ip_options_data opt_copy;
	struct raw_frag_vec rfv;
	int hdrincl;

	err = -EMSGSIZE;
	if (len > 0xFFFF)
		goto out;

	/* hdrincl should be READ_ONCE(inet->hdrincl)
	 * but READ_ONCE() doesn't work with bit fields.
	 * Doing this indirectly yields the same result.
	 */
	hdrincl = inet->hdrincl;
	hdrincl = READ_ONCE(hdrincl);
	/*
	 *	Check the flags.
	 */

	err = -EOPNOTSUPP;
	if (msg->msg_flags & MSG_OOB)	/* Mirror BSD error message */
		goto out;               /* compatibility */

	/*
	 *	Get and verify the address.
	 */

	if (msg->msg_namelen) {
		DECLARE_SOCKADDR(struct sockaddr_in *, usin, msg->msg_name);
		err = -EINVAL;
		if (msg->msg_namelen < sizeof(*usin))
			goto out;
		if (usin->sin_family != AF_INET) {
			pr_info_once("%s: %s forgot to set AF_INET. Fix it!\n",
				     __func__, current->comm);
			err = -EAFNOSUPPORT;
			if (usin->sin_family)
				goto out;
		}
		daddr = usin->sin_addr.s_addr;
		/* ANK: I did not forget to get protocol from port field.
		 * I just do not know, who uses this weirdness.
		 * IP_HDRINCL is much more convenient.
		 */
	} else {
		err = -EDESTADDRREQ;
		if (sk->sk_state != TCP_ESTABLISHED)
			goto out;
		daddr = inet->inet_daddr;
	}

	ipcm_init_sk(&ipc, inet);

	if (msg->msg_controllen) {
		err = ip_cmsg_send(sk, msg, &ipc, false);
		if (unlikely(err)) {
			kfree(ipc.opt);
			goto out;
		}
		if (ipc.opt)
			free = 1;
	}

	saddr = ipc.addr;
	ipc.addr = daddr;

	if (!ipc.opt) {
		struct ip_options_rcu *inet_opt;

		rcu_read_lock();
		inet_opt = rcu_dereference(inet->inet_opt);
		if (inet_opt) {
			memcpy(&opt_copy, inet_opt,
			       sizeof(*inet_opt) + inet_opt->opt.optlen);
			ipc.opt = &opt_copy.opt;
		}
		rcu_read_unlock();
	}

	if (ipc.opt) {
		err = -EINVAL;
		/* Linux does not mangle headers on raw sockets,
		 * so that IP options + IP_HDRINCL is non-sense.
		 */
		if (hdrincl)
			goto done;
		if (ipc.opt->opt.srr) {
			if (!daddr)
				goto done;
			daddr = ipc.opt->opt.faddr;
		}
	}
	tos = get_rtconn_flags(&ipc, sk);
	if (msg->msg_flags & MSG_DONTROUTE)
		tos |= RTO_ONLINK;

	if (ipv4_is_multicast(daddr)) {
		if (!ipc.oif)
			ipc.oif = inet->mc_index;
		if (!saddr)
			saddr = inet->mc_addr;
	} else if (!ipc.oif) {
		ipc.oif = inet->uc_index;
	} else if (ipv4_is_lbcast(daddr) && inet->uc_index) {
		/* oif is set, packet is to local broadcast and
		 * and uc_index is set. oif is most likely set
		 * by sk_bound_dev_if. If uc_index != oif check if the
		 * oif is an L3 master and uc_index is an L3 slave.
		 * If so, we want to allow the send using the uc_index.
		 */
		if (ipc.oif != inet->uc_index &&
		    ipc.oif == l3mdev_master_ifindex_by_index(sock_net(sk),
							      inet->uc_index)) {
			ipc.oif = inet->uc_index;
		}
	}

	flowi4_init_output(&fl4, ipc.oif, sk->sk_mark, tos,
			   RT_SCOPE_UNIVERSE,
			   hdrincl ? IPPROTO_RAW : sk->sk_protocol,
			   inet_sk_flowi_flags(sk) |
			    (hdrincl ? FLOWI_FLAG_KNOWN_NH : 0),
			   daddr, saddr, 0, 0, sk->sk_uid);

	if (!hdrincl) {
		rfv.msg = msg;
		rfv.hlen = 0;

		err = raw_probe_proto_opt(&rfv, &fl4);
		if (err)
			goto done;
	}

	security_sk_classify_flow(sk, flowi4_to_flowi(&fl4));
	rt = ip_route_output_flow(net, &fl4, sk);
	if (IS_ERR(rt)) {
		err = PTR_ERR(rt);
		rt = NULL;
		goto done;
	}

	err = -EACCES;
	if (rt->rt_flags & RTCF_BROADCAST && !sock_flag(sk, SOCK_BROADCAST))
		goto done;

	if (msg->msg_flags & MSG_CONFIRM)
		goto do_confirm;
back_from_confirm:

	if (hdrincl)
		err = raw_send_hdrinc(sk, &fl4, msg, len,
				      &rt, msg->msg_flags, &ipc.sockc);

	 else {
		if (!ipc.addr)
			ipc.addr = fl4.daddr;
		lock_sock(sk);
		err = ip_append_data(sk, &fl4, raw_getfrag,
				     &rfv, len, 0,
				     &ipc, &rt, msg->msg_flags);
		if (err)
			ip_flush_pending_frames(sk);
		else if (!(msg->msg_flags & MSG_MORE)) {
			err = ip_push_pending_frames(sk, &fl4);
			if (err == -ENOBUFS && !inet->recverr)
				err = 0;
		}
		release_sock(sk);
	}
done:
	if (free)
		kfree(ipc.opt);
	ip_rt_put(rt);

out:
	if (err < 0)
		return err;
	return len;

do_confirm:
	if (msg->msg_flags & MSG_PROBE)
		dst_confirm_neigh(&rt->dst, &fl4.daddr);
	if (!(msg->msg_flags & MSG_PROBE) || len)
		goto back_from_confirm;
	err = 0;
	goto done;
}

static void raw_close(struct sock *sk, long timeout)
{
	/*
	 * Raw sockets may have direct kernel references. Kill them.
	 */
	ip_ra_control(sk, 0, NULL);

	sk_common_release(sk);
}

static void raw_destroy(struct sock *sk)
{
	lock_sock(sk);
	ip_flush_pending_frames(sk);
	release_sock(sk);
}

/* This gets rid of all the nasties in af_inet. -DaveM */
static int raw_bind(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
	struct sockaddr_in *addr = (struct sockaddr_in *) uaddr;
	u32 tb_id = RT_TABLE_LOCAL;
	int ret = -EINVAL;
	int chk_addr_ret;

	if (sk->sk_state != TCP_CLOSE || addr_len < sizeof(struct sockaddr_in))
		goto out;

	if (sk->sk_bound_dev_if)
		tb_id = l3mdev_fib_table_by_index(sock_net(sk),
						 sk->sk_bound_dev_if) ? : tb_id;

	chk_addr_ret = inet_addr_type_table(sock_net(sk), addr->sin_addr.s_addr,
					    tb_id);

	ret = -EADDRNOTAVAIL;
	if (addr->sin_addr.s_addr && chk_addr_ret != RTN_LOCAL &&
	    chk_addr_ret != RTN_MULTICAST && chk_addr_ret != RTN_BROADCAST)
		goto out;
	inet->inet_rcv_saddr = inet->inet_saddr = addr->sin_addr.s_addr;
	if (chk_addr_ret == RTN_MULTICAST || chk_addr_ret == RTN_BROADCAST)
		inet->inet_saddr = 0;  /* Use device */
	sk_dst_reset(sk);
	ret = 0;
out:	return ret;
}

/*
 *	This should be easy, if there is something there
 *	we return it, otherwise we block.
 */

static int raw_recvmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len,
		       int noblock, int flags, int *addr_len)
{
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
	size_t copied = 0;
	int err = -EOPNOTSUPP;
	DECLARE_SOCKADDR(struct sockaddr_in *, sin, msg->msg_name);
	struct sk_buff *skb;

	if (flags & MSG_OOB)
		goto out;

	if (flags & MSG_ERRQUEUE) {
		err = ip_recv_error(sk, msg, len, addr_len);
		goto out;
	}

	skb = skb_recv_datagram(sk, flags, noblock, &err);
	if (!skb)
		goto out;

	copied = skb->len;
	if (len < copied) {
		msg->msg_flags |= MSG_TRUNC;
		copied = len;
	}

	err = skb_copy_datagram_msg(skb, 0, msg, copied);
	if (err)
		goto done;

	sock_recv_ts_and_drops(msg, sk, skb);

	/* Copy the address. */
	if (sin) {
		sin->sin_family = AF_INET;
		sin->sin_addr.s_addr = ip_hdr(skb)->saddr;
		sin->sin_port = 0;
		memset(&sin->sin_zero, 0, sizeof(sin->sin_zero));
		*addr_len = sizeof(*sin);
	}
	if (inet->cmsg_flags)
		ip_cmsg_recv(msg, skb);
	if (flags & MSG_TRUNC)
		copied = skb->len;
done:
	skb_free_datagram(sk, skb);
out:
	if (err)
		return err;
	return copied;
}

static int raw_init(struct sock *sk)
{
	struct raw_sock *rp = raw_sk(sk);

	if (inet_sk(sk)->inet_num == IPPROTO_ICMP)
		memset(&rp->filter, 0, sizeof(rp->filter));
	return 0;
}

static int raw_seticmpfilter(struct sock *sk, char __user *optval, int optlen)
{
	if (optlen > sizeof(struct icmp_filter))
		optlen = sizeof(struct icmp_filter);
	if (copy_from_user(&raw_sk(sk)->filter, optval, optlen))
		return -EFAULT;
	return 0;
}

static int raw_geticmpfilter(struct sock *sk, char __user *optval, int __user *optlen)
{
	int len, ret = -EFAULT;

	if (get_user(len, optlen))
		goto out;
	ret = -EINVAL;
	if (len < 0)
		goto out;
	if (len > sizeof(struct icmp_filter))
		len = sizeof(struct icmp_filter);
	ret = -EFAULT;
	if (put_user(len, optlen) ||
	    copy_to_user(optval, &raw_sk(sk)->filter, len))
		goto out;
	ret = 0;
out:	return ret;
}

static int do_raw_setsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
			  char __user *optval, unsigned int optlen)
{
	if (optname == ICMP_FILTER) {
		if (inet_sk(sk)->inet_num != IPPROTO_ICMP)
			return -EOPNOTSUPP;
		else
			return raw_seticmpfilter(sk, optval, optlen);
	}
	return -ENOPROTOOPT;
}

static int raw_setsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
			  char __user *optval, unsigned int optlen)
{
	if (level != SOL_RAW)
		return ip_setsockopt(sk, level, optname, optval, optlen);
	return do_raw_setsockopt(sk, level, optname, optval, optlen);
}

#ifdef CONFIG_COMPAT
static int compat_raw_setsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
				 char __user *optval, unsigned int optlen)
{
	if (level != SOL_RAW)
		return compat_ip_setsockopt(sk, level, optname, optval, optlen);
	return do_raw_setsockopt(sk, level, optname, optval, optlen);
}
#endif

static int do_raw_getsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
			  char __user *optval, int __user *optlen)
{
	if (optname == ICMP_FILTER) {
		if (inet_sk(sk)->inet_num != IPPROTO_ICMP)
			return -EOPNOTSUPP;
		else
			return raw_geticmpfilter(sk, optval, optlen);
	}
	return -ENOPROTOOPT;
}

static int raw_getsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
			  char __user *optval, int __user *optlen)
{
	if (level != SOL_RAW)
		return ip_getsockopt(sk, level, optname, optval, optlen);
	return do_raw_getsockopt(sk, level, optname, optval, optlen);
}

#ifdef CONFIG_COMPAT
static int compat_raw_getsockopt(struct sock *sk, int level, int optname,
				 char __user *optval, int __user *optlen)
{
	if (level != SOL_RAW)
		return compat_ip_getsockopt(sk, level, optname, optval, optlen);
	return do_raw_getsockopt(sk, level, optname, optval, optlen);
}
#endif

static int raw_ioctl(struct sock *sk, int cmd, unsigned long arg)
{
	switch (cmd) {
	case SIOCOUTQ: {
		int amount = sk_wmem_alloc_get(sk);

		return put_user(amount, (int __user *)arg);
	}
	case SIOCINQ: {
		struct sk_buff *skb;
		int amount = 0;

		spin_lock_bh(&sk->sk_receive_queue.lock);
		skb = skb_peek(&sk->sk_receive_queue);
		if (skb)
			amount = skb->len;
		spin_unlock_bh(&sk->sk_receive_queue.lock);
		return put_user(amount, (int __user *)arg);
	}

	default:
#ifdef CONFIG_IP_MROUTE
		return ipmr_ioctl(sk, cmd, (void __user *)arg);
#else
		return -ENOIOCTLCMD;
#endif
	}
}

#ifdef CONFIG_COMPAT
static int compat_raw_ioctl(struct sock *sk, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	switch (cmd) {
	case SIOCOUTQ:
	case SIOCINQ:
		return -ENOIOCTLCMD;
	default:
#ifdef CONFIG_IP_MROUTE
		return ipmr_compat_ioctl(sk, cmd, compat_ptr(arg));
#else
		return -ENOIOCTLCMD;
#endif
	}
}
#endif

int raw_abort(struct sock *sk, int err)
{
	lock_sock(sk);

	sk->sk_err = err;
	sk->sk_error_report(sk);
	__udp_disconnect(sk, 0);

	release_sock(sk);

	return 0;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_abort);

struct proto raw_prot = {
	.name		   = "RAW",
	.owner		   = THIS_MODULE,
	.close		   = raw_close,
	.destroy	   = raw_destroy,
	.connect	   = ip4_datagram_connect,
	.disconnect	   = __udp_disconnect,
	.ioctl		   = raw_ioctl,
	.init		   = raw_init,
	.setsockopt	   = raw_setsockopt,
	.getsockopt	   = raw_getsockopt,
	.sendmsg	   = raw_sendmsg,
	.recvmsg	   = raw_recvmsg,
	.bind		   = raw_bind,
	.backlog_rcv	   = raw_rcv_skb,
	.release_cb	   = ip4_datagram_release_cb,
	.hash		   = raw_hash_sk,
	.unhash		   = raw_unhash_sk,
	.obj_size	   = sizeof(struct raw_sock),
	.useroffset	   = offsetof(struct raw_sock, filter),
	.usersize	   = sizeof_field(struct raw_sock, filter),
	.h.raw_hash	   = &raw_v4_hashinfo,
#ifdef CONFIG_COMPAT
	.compat_setsockopt = compat_raw_setsockopt,
	.compat_getsockopt = compat_raw_getsockopt,
	.compat_ioctl	   = compat_raw_ioctl,
#endif
	.diag_destroy	   = raw_abort,
};

#ifdef CONFIG_PROC_FS
static struct sock *raw_get_first(struct seq_file *seq)
{
	struct sock *sk;
	struct raw_hashinfo *h = PDE_DATA(file_inode(seq->file));
	struct raw_iter_state *state = raw_seq_private(seq);

	for (state->bucket = 0; state->bucket < RAW_HTABLE_SIZE;
			++state->bucket) {
		sk_for_each(sk, &h->ht[state->bucket])
			if (sock_net(sk) == seq_file_net(seq))
				goto found;
	}
	sk = NULL;
found:
	return sk;
}

static struct sock *raw_get_next(struct seq_file *seq, struct sock *sk)
{
	struct raw_hashinfo *h = PDE_DATA(file_inode(seq->file));
	struct raw_iter_state *state = raw_seq_private(seq);

	do {
		sk = sk_next(sk);
try_again:
		;
	} while (sk && sock_net(sk) != seq_file_net(seq));

	if (!sk && ++state->bucket < RAW_HTABLE_SIZE) {
		sk = sk_head(&h->ht[state->bucket]);
		goto try_again;
	}
	return sk;
}

static struct sock *raw_get_idx(struct seq_file *seq, loff_t pos)
{
	struct sock *sk = raw_get_first(seq);

	if (sk)
		while (pos && (sk = raw_get_next(seq, sk)) != NULL)
			--pos;
	return pos ? NULL : sk;
}

void *raw_seq_start(struct seq_file *seq, loff_t *pos)
{
	struct raw_hashinfo *h = PDE_DATA(file_inode(seq->file));

	read_lock(&h->lock);
	return *pos ? raw_get_idx(seq, *pos - 1) : SEQ_START_TOKEN;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_seq_start);

void *raw_seq_next(struct seq_file *seq, void *v, loff_t *pos)
{
	struct sock *sk;

	if (v == SEQ_START_TOKEN)
		sk = raw_get_first(seq);
	else
		sk = raw_get_next(seq, v);
	++*pos;
	return sk;
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_seq_next);

void raw_seq_stop(struct seq_file *seq, void *v)
{
	struct raw_hashinfo *h = PDE_DATA(file_inode(seq->file));

	read_unlock(&h->lock);
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(raw_seq_stop);

static void raw_sock_seq_show(struct seq_file *seq, struct sock *sp, int i)
{
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sp);
	__be32 dest = inet->inet_daddr,
	       src = inet->inet_rcv_saddr;
	__u16 destp = 0,
	      srcp  = inet->inet_num;

	seq_printf(seq, "%4d: %08X:%04X %08X:%04X"
		" %02X %08X:%08X %02X:%08lX %08X %5u %8d %lu %d %pK %d\n",
		i, src, srcp, dest, destp, sp->sk_state,
		sk_wmem_alloc_get(sp),
		sk_rmem_alloc_get(sp),
		0, 0L, 0,
		from_kuid_munged(seq_user_ns(seq), sock_i_uid(sp)),
		0, sock_i_ino(sp),
		refcount_read(&sp->sk_refcnt), sp, atomic_read(&sp->sk_drops));
}

static int raw_seq_show(struct seq_file *seq, void *v)
{
	if (v == SEQ_START_TOKEN)
		seq_printf(seq, "  sl  local_address rem_address   st tx_queue "
				"rx_queue tr tm->when retrnsmt   uid  timeout "
				"inode ref pointer drops\n");
	else
		raw_sock_seq_show(seq, v, raw_seq_private(seq)->bucket);
	return 0;
}

static const struct seq_operations raw_seq_ops = {
	.start = raw_seq_start,
	.next  = raw_seq_next,
	.stop  = raw_seq_stop,
	.show  = raw_seq_show,
};

static __net_init int raw_init_net(struct net *net)
{
	if (!proc_create_net_data("raw", 0444, net->proc_net, &raw_seq_ops,
			sizeof(struct raw_iter_state), &raw_v4_hashinfo))
		return -ENOMEM;

	return 0;
}

static __net_exit void raw_exit_net(struct net *net)
{
	remove_proc_entry("raw", net->proc_net);
}

static __net_initdata struct pernet_operations raw_net_ops = {
	.init = raw_init_net,
	.exit = raw_exit_net,
};

int __init raw_proc_init(void)
{
	return register_pernet_subsys(&raw_net_ops);
}

void __init raw_proc_exit(void)
{
	unregister_pernet_subsys(&raw_net_ops);
}
#endif /* CONFIG_PROC_FS */

这段代码是 Linux 4.9 内核中 IPv4 RAW 套接字的实现,位于 net/ipv4/raw.c。RAW 套接字允许应用程序直接访问网络层(IP层),可以用于处理自定义的 IP 数据包,甚至自行构造 IP 头部。它常用于实现自定义协议、网络诊断工具(如 pingtraceroute)等。

以下是对该文件的详细分析:

1. 主要功能与特性

  • 直接 IP 层访问:允许读写原始 IP 数据包。
  • 协议处理:可以处理特定的 IP 协议(如 ICMP、IGMP 等)。
  • IP_HDRINCL 选项:允许应用程序自行构造 IP 头部。
  • ICMP 过滤:支持对接收的 ICMP 消息进行过滤。
  • 多播支持:可以加入多播组并接收多播流量。
  • 内核内部使用:也被用于内核内部的某些功能(如 ICMP 错误处理)。

2. 关键数据结构

raw_hashinfo

c


struct raw_hashinfo raw_v4_hashinfo = {
    .lock = __RW_LOCK_UNLOCKED(raw_v4_hashinfo.lock),
};

这是一个全局的哈希表,用于存储所有 IPv4 RAW 套接字。每个套接字根据其绑定的协议号(inet_num)哈希到不同的桶中。读写锁用于保护哈希表的并发访问。

raw_frag_vec

c


struct raw_frag_vec {
    struct msghdr *msg;
    union {
        struct icmphdr icmph;
        char c[1];
    } hdr;
    int hlen;
};

用于在发送数据时处理分片和协议头信息,特别是在处理 ICMP 协议时。

3. 核心函数分析

raw_v4_input

c


static int raw_v4_input(struct sk_buff *skb, const struct iphdr *iph, int hash)
  • 功能:处理输入的 IP 数据包,并将其传递给匹配的 RAW 套接字。

  • 流程

    1. 根据 IP 协议号计算哈希值,找到对应的哈希桶。
    2. 遍历该桶中的套接字,查找匹配的套接字(协议号、源/目标地址、设备等)。
    3. 如果找到匹配的套接字,且满足过滤条件(如 ICMP 过滤、多播过滤),则克隆 SKB 并调用 raw_rcv 将数据包传递给套接字。
raw_rcv

c


int raw_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
  • 功能:将数据包放入套接字的接收队列。

  • 流程

    1. 检查安全策略(XFRM)。
    2. 重置网络过滤器状态。
    3. 调整 SKB 指针(确保网络头正确)。
    4. 调用 raw_rcv_skb 将数据包放入接收队列。
raw_sendmsg

c


static int raw_sendmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len)
  • 功能:发送原始 IP 数据包。

  • 流程

    1. 检查消息标志和长度。

    2. 解析目标地址(从 msg_name 或套接字已连接地址)。

    3. 处理控制消息(如 IP 选项)。

    4. 初始化流信息(flowi4),用于路由查找。

    5. 根据是否设置 IP_HDRINCL 选项:

      • 如果设置,调用 raw_send_hdrinc 由应用程序构造完整 IP 头部。
      • 否则,由内核构造 IP 头部,调用 ip_append_data 和 ip_push_pending_frames 发送数据。
raw_recvmsg

c


static int raw_recvmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t len, int noblock, int flags, int *addr_len)
  • 功能:从套接字接收数据。

  • 流程

    1. 处理错误队列(MSG_ERRQUEUE)。
    2. 从接收队列中获取 SKB。
    3. 将数据复制到用户空间。
    4. 填充源地址信息(如果请求)。
    5. 处理控制消息(如 IP 选项)。

4. 套接字选项处理

raw_setsockopt 和 raw_getsockopt
  • 处理 RAW 套接字特有的选项,如 ICMP_FILTER
  • 其他选项传递给 IP 层的通用处理函数。

5. ICMP 错误处理

raw_err 和 raw_icmp_error
  • 处理 ICMP 错误消息(如目的不可达、重定向等)。
  • 根据错误类型更新套接字错误状态,并通知应用程序。

6. 套接字生命周期管理

raw_close 和 raw_destroy
  • 释放套接字资源,刷新未发送的数据包。
raw_bind
  • 绑定套接字到特定地址和协议。

7. /proc 文件系统支持

raw_init_net 和 raw_exit_net
  • 在每个网络命名空间中创建 /proc/net/raw 文件,用于显示当前 RAW 套接字状态。
raw_seq_show
  • 格式化显示 RAW 套接字的信息(本地地址、远程地址、状态等)。

8. 并发与锁

  • 使用读写锁(raw_v4_hashinfo.lock)保护全局哈希表的并发访问。
  • 使用套接字锁保护单个套接字的发送和接收队列。

9. 其他功能

  • 多播支持:通过 ip_mc_sf_allow 检查多播过滤。
  • IP 选项处理:支持发送和接收 IP 选项。
  • 内核内部使用:RAW 套接字也被用于内核内部的 ICMP 处理。

10. 导出符号

  • 一些函数被导出(EXPORT_SYMBOL_GPL),供其他内核模块使用(如 IPsec、多播路由等)。

总结

net/ipv4/raw.c 实现了 Linux 内核中的 IPv4 RAW 套接字功能,提供了直接访问 IP 层的能力。它处理套接字的创建、绑定、发送、接收、错误处理以及各种控制操作。代码中充分考虑了并发安全、内存管理和性能优化,同时支持丰富的功能如 ICMP 过滤、多播和 IP 选项处理。

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自定义 IP 数据包与自行构造 IP 头部

在 Linux 中,使用 RAW 套接字可以自定义 IP 数据包并自行构造 IP 头部。这允许你完全控制 IP 数据包的内容,包括协议类型、源/目的地址、标识符、分段信息等。

基本步骤

1. 创建 RAW 套接字

c


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/ip.h>

int main() {
    int sockfd;
    
    // 创建 RAW 套接字,指定 IPPROTO_RAW 表示我们将自己构造 IP 头部
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)) < 0) {
        perror("socket() failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 设置 IP_HDRINCL 选项,告诉内核我们不希望它构造 IP 头部
    int hincl = 1;
    if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &hincl, sizeof(hincl)) < 0) {
        perror("setsockopt() failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 其余代码...
    close(sockfd);
    return 0;
}

2. 构造 IP 头部

c


// IP 头部结构体 (与内核中的定义匹配)
struct ipheader {
    unsigned char      iph_ihl:4, iph_ver:4;
    unsigned char      iph_tos;
    unsigned short int iph_len;
    unsigned short int iph_ident;
    unsigned short int iph_flags:3, iph_offset:13;
    unsigned char      iph_ttl;
    unsigned char      iph_protocol;
    unsigned short int iph_chksum;
    struct in_addr     iph_sourceip;
    struct in_addr     iph_destip;
};

// 计算校验和的辅助函数
unsigned short calculate_checksum(unsigned short *ptr, int nbytes) {
    register long sum;
    unsigned short oddbyte;
    register short answer;

    sum = 0;
    while (nbytes > 1) {
        sum += *ptr++;
        nbytes -= 2;
    }
    
    if (nbytes == 1) {
        oddbyte = 0;
        *((u_char*)&oddbyte) = *(u_char*)ptr;
        sum += oddbyte;
    }

    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
    sum += (sum >> 16);
    answer = (short)~sum;
    
    return answer;
}

// 构造 IP 数据包
void build_ip_packet(struct ipheader *iph, 
                     const char *src_ip, const char *dst_ip, 
                     u_char protocol, const char *data, int data_len) {
    // 填充 IP 头部
    iph->iph_ver = 4;          // IPv4
    iph->iph_ihl = 5;          // 头部长度 (5 * 4 = 20 字节)
    iph->iph_tos = 0;          // 服务类型
    iph->iph_len = htons(sizeof(struct ipheader) + data_len); // 总长度
    iph->iph_ident = htons(54321); // 标识符
    iph->iph_flags = 0;        // 分段标志
    iph->iph_offset = 0;       // 分段偏移
    iph->iph_ttl = 255;        // 生存时间
    iph->iph_protocol = protocol; // 协议类型
    iph->iph_chksum = 0;       // 先置0,后面计算校验和
    
    // 源和目的IP地址
    inet_pton(AF_INET, src_ip, &(iph->iph_sourceip));
    inet_pton(AF_INET, dst_ip, &(iph->iph_destip));
    
    // 计算IP头部校验和
    iph->iph_chksum = calculate_checksum((unsigned short *)iph, sizeof(struct ipheader));
    
    // 复制数据
    char *packet = (char *)iph + sizeof(struct ipheader);
    memcpy(packet, data, data_len);
}

3. 发送自定义 IP 数据包

c


void send_custom_packet(int sockfd, const char *dst_ip, u_char protocol, 
                       const char *data, int data_len) {
    char packet[1024];
    struct ipheader *iph = (struct ipheader *)packet;
    struct sockaddr_in dest_addr;
    
    // 构建目标地址结构
    memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, dst_ip, &(dest_addr.sin_addr));
    
    // 构造 IP 数据包 (使用虚假源IP)
    build_ip_packet(iph, "192.168.1.100", dst_ip, protocol, data, data_len);
    
    // 发送数据包
    if (sendto(sockfd, packet, ntohs(iph->iph_len), 0, 
               (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr)) < 0) {
        perror("sendto() failed");
    } else {
        printf("Packet sent to %s\n", dst_ip);
    }
}

4. 完整示例

c


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/ip.h>

// 上面定义的函数和结构体...

int main() {
    int sockfd;
    
    // 创建 RAW 套接字
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)) < 0) {
        perror("socket() failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 设置 IP_HDRINCL 选项
    int hincl = 1;
    if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &hincl, sizeof(hincl)) < 0) {
        perror("setsockopt() failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 发送自定义 ICMP 数据包 (ping)
    char icmp_data[] = "Hello, Raw Socket!";
    send_custom_packet(sockfd, "8.8.8.8", IPPROTO_ICMP, icmp_data, strlen(icmp_data));
    
    // 发送自定义 TCP 数据包 (需要构造完整的 TCP 头部)
    // 注意:这里只是示例,实际需要构造完整的 TCP 头部
    char tcp_data[] = "TCP Data";
    send_custom_packet(sockfd, "192.168.1.1", IPPROTO_TCP, tcp_data, strlen(tcp_data));
    
    close(sockfd);
    return 0;
}

注意事项

  1. 需要 root 权限:创建 RAW 套接字需要超级用户权限。
  2. 协议选择:你可以指定任何 IP 协议号(如 IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_ICMP 等)。
  3. 完整协议栈:如果你选择高层协议(如 TCP/UDP),你需要自己构造完整的协议头部(TCP/UDP 头部),包括计算校验和。
  4. 接收响应:要接收响应,你需要绑定到特定的协议并使用 recvfrom() 读取数据。
  5. 网络地址转换:注意使用 htons()/htonl() 等函数确保正确的字节序。
  6. 内核处理:设置了 IP_HDRINCL 后,内核不会修改你的 IP 头部(除了源地址在某些情况下),也不会计算校验和。

高级用法

对于更高级的用法,你可以:

  1. 构造完整的 TCP/UDP/ICMP 数据包
  2. 实现自定义的网络协议
  3. 进行网络测试和诊断
  4. 开发安全工具(如扫描器、防火墙测试工具)

这种能力非常强大,但也需要你对网络协议有深入的理解,并且要谨慎使用,因为不当的使用可能会影响网络正常运行。

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这是一个非常深刻且重要的问题。答案是:不可以,绝对不会像 TCP 那样自动获得可靠传输。

自定义 IP 数据包(使用 RAW Socket 和 IP_HDRINCL)只是为你提供了在网络层(IP层) 手动构造和发送数据块的能力。IP 协议本身是无连接、不可靠的。它不提供任何保证。

要将这种底层能力变得可靠,你需要在应用层自己完全重新实现 TCP 的所有可靠传输机制,这是一个极其复杂和艰巨的任务。

下面我将详细解释为什么不行,以及如果你执意要做的巨大挑战。


TCP 提供的可靠传输机制 vs. 你的 RAW Socket

当你使用自定义 IP 数据包时,你得到的只是一个“哑管道”,下图对比了 TCP 提供的服务和你需要自己实现的一切:


flowchart TD
A[目标: 可靠的数据传输] --> B[使用标准 TCP Socket]
A --> C[使用自定义IP数据包<br>(RAW Socket)]

B --> B1[自动获得所有可靠传输机制]
B1 --> B2[全功能的传输层服务]

C --> C1[仅获得不可靠的IP层数据报发送能力]
C1 --> C2[需在应用层重新实现整个传输层]

subgraph B2 [TCP 提供的核心功能]
    Direction1[顺序保证]
    Direction2[丢包检测与重传]
    Direction3[流量控制]
    Direction4[拥塞控制]
    Direction5[连接管理]
end

subgraph C2 [你需要自己实现的功能]
    Direction1_1[手动序列号与确认(ACK)]
    Direction2_1[手动超时重传计时器(RTO)]
    Direction3_1[手动滑动窗口与窗口通告]
    Direction4_1[手动实现拥塞避免、慢启动等算法]
    Direction5_1[手动三次握手、四次挥手]
end

B2 -.->|自动处理| B
C2 -.->|巨大挑战| C

正如上图所示,通过 RAW Socket 发送自定义 IP 数据包,意味着你放弃了操作系统内核经过数十年千锤百炼的 TCP 实现,选择在应用层徒手重建整个传输层。


如何基于 RAW Socket 实现可靠传输?(巨大挑战)

如果你因为特殊需求(如研究、定制极度特殊的网络协议)必须这么做,你需要实现以下所有功能:

  1. 序列号与确认 (Sequencing & Acknowledgments)

    • 你必须在你的自定义协议头中添加序列号 (Sequence Number) 字段。
    • 接收方收到数据后,必须向你返回一个确认 (ACK) 数据包,其中包含它期望收到的下一个序列号。
    • 你需要处理重复ACK累计ACK
  2. 超时重传 (Retransmission Timeout - RTO)

    • 每发送一个数据包,你都需要启动一个计时器。
    • 如果在一个设定的超时时间 (RTO) 内没有收到对应的 ACK,你必须重新发送该数据包。
    • 挑战:TCP 的 RTO 是动态计算的,基于持续测量的往返时间 (RTT)。你需要实现一套类似的算法(如 Jacobson/Karels 算法)来自适应网络变化,否则固定的超时时间会效率极低。
  3. 连接管理 (Connection Management)

    • 三次握手:你需要自己定义 SYN 和 ACK 标志,并实现建立连接的同步过程。
    • 四次挥手:同样,你需要自己定义 FIN 标志,实现连接终止过程,并处理可能出现的半关闭状态。
  4. 流量控制 (Flow Control)

    • 你需要实现滑动窗口协议
    • 接收方需要在其 ACK 中通告一个接收窗口 (Window Size),告诉发送方自己还有多少缓冲区空间。
    • 发送方必须遵守这个窗口,不能发送超过窗口大小的数据。
  5. 拥塞控制 (Congestion Control)

    • 这是最复杂的部分,目的是保护网络本身不过载。
    • 你需要实现如慢启动 (Slow Start)拥塞避免 (Congestion Avoidance)快速重传 (Fast Retransmit)快速恢复 (Fast Recovery) 等算法。
    • TCP 拥有多种成熟的拥塞控制算法(如 Cubic、BBR),你需要选择并实现其中之一。
  6. 数据完整性

    • 虽然 IP 和 TCP 都有校验和,但你的自定义协议也必须有。你需要为你的数据计算校验和,以防止传输中的比特错误。

一个简单的(不可靠的)自定义协议头示例

这只是一个概念性示例,离真正的可靠传输相差十万八千里:

c


// 你自定义的伪协议头结构
struct my_protocol_header {
    uint16_t source_port;
    uint16_t dest_port;
    uint32_t sequence_number; // 你手动管理的序列号
    uint32_t ack_number;      // 你手动管理的确认号
    uint8_t  flags;           // 你自定义的标志位 (如 SYN, ACK, FIN)
    uint16_t window_size;     // 你手动通告的窗口大小
    uint16_t checksum;        // 你必须计算的校验和
    // ... 可能还有其他字段
};

// 紧接着是你的应用数据

每次发送和接收,你都需要处理这些字段。

结论与建议

  • 绝对不要为了“可靠传输”而使用 RAW Socket:这相当于为了造一辆车,决定先从炼钢开始。直接使用 TCP Socket 是正确、高效且可靠的选择。

  • RAW Socket 的适用场景

    1. 实现一种全新的、不存在于内核中的传输层或网络层协议(例如,用于学术研究)。
    2. 开发网络诊断工具,如自定义的 pingtraceroute
    3. 发送特定类型的 ICMP 消息
    4. 进行网络安全研究,如构造数据包进行测试或渗透。
    5. 在某些极端嵌入式环境中,没有完整的 TCP/IP 协议栈。

总而言之,自定义 IP 数据包给了你强大的网络底层控制能力,但随之而来的是巨大的复杂性和责任。可靠传输是 TCP 的核心价值,直接使用它是唯一明智的选择。自己实现一个可靠的协议更像是一个庞大的研究项目,而不是一个产品开发功能。