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:
- 序列号与确认机制:确保数据有序到达和确认
- 超时重传机制:处理丢失的数据包
- 流量控制:通过滑动窗口防止接收方过载
- 拥塞控制:动态调整发送速率避免网络拥塞
- 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:
- 实现精确的超时重传计时器,包括动态RTT估算
- 处理复杂的拥塞控制算法(如BIC、CUBIC或BBR)
- 管理连接状态和序列号空间
- 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:
- 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
- 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
- 计时器精度:用户空间的计时器精度通常低于内核空间
- 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:
- 网络诊断工具:实现自定义的ping、traceroute等工具
- 协议研究:实验新的网络协议或扩展现有协议
- 网络安全:开发入侵检测系统或进行安全测试
- 特殊网络设备:实现路由器、防火墙等网络设备的功能
- 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:
- 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
- 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
- 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
- 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。
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 ping
、traceroute
)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:
- 根据 IP 协议号计算哈希值,找到对应的哈希桶。
- 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)。
- 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:
- 检查安全策略(XFRM)。
- 重置网络过滤器状态。
- 调整 SKB 指针(确保网络头正确)。
- 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:
检查消息标志和长度。
解析目标地址(从
msg_name
或套接字已连接地址)。处理控制消息(如 IP 选项)。
初始化流信息(
flowi4
),用于路由查找。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。
- 如果设置,调用
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:
- 处理错误队列(
MSG_ERRQUEUE
)。 - 从接收队列中获取 SKB。
- 将数据复制到用户空间。
- 填充源地址信息(如果请求)。
- 处理控制消息(如 IP 选项)。
- 处理错误队列(
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。
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
- 需要 root 权限:创建 RAW 套接字需要超级用户权限。
- 协议选择:你可以指定任何 IP 协议号(如 IPPROTO_TCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_ICMP 等)。
- 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。
- 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。
- 网络地址转换:注意使用 htons()/htonl() 等函数确保正确的字节序。
- 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:
- 构造完整的 TCP/UDP/ICMP 数据包
- 实现自定义的网络协议
- 进行网络测试和诊断
- 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。
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:
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和累计ACK。
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。
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。
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。
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。
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:
- 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)。
- 开发网络诊断工具,如自定义的
ping
、traceroute
。 - 发送特定类型的 ICMP 消息。
- 进行网络安全研究,如构造数据包进行测试或渗透。
- 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。