原始套接字
简介
套接口最常用的两种类型：SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM。
- SOCK_STREAM: 流式套接口，传输的是字节流，每次传输的数据没有边界，它是面向连接的，底层使用TCP协议。
- SOCK_DGRAM: 数据报套接口，无连接，使用UDP协议
传送的数据格式是预先定义好的
通过原始套接字，可以了解底层协议的实现细节，自己构造协议首部和数据，发送并接受
WinSock提供了另一种类型的套接口SOCK_RAW，也被称为“原始套接口”。
当用选项IP_HDRINCL调用setsockopt时，用户可以自己构造IPv4首部。
创建套接口时设置一个系统没有处理的协议，可以在应用层实现自己的传输协议
通常网络系统只处理ICMP（1）、IGMP（2）、TCP（6）和UDP（17），使用原始套接口可以发送和接收ICMP和IGMP分组，系统在处理完后，会把数据报复制给原始套接口一份。
API
创建套接字
原始套接口也用socket函数来创建，第二个参数为SOCK_RAW，第三个参数protocol由用户设置，可以使用WinSock2.h中定义的前缀为IPPROTO_XXX的常值。另外，用户也可以选择一个头文件中没有定义的数值，直接在socket函数中传入数值即可。
设置选项
大部分选项的设置与TCP和UDP套接口是一样的
有一个选项IP_HDRINCL，只适用于原始套接口，用于控制是否由用户自己构造IP首部。如果设置为非0值，用户自己构造IP首部及后面的数据；设置为0值时，这是默认情况，用户只需要构造IP首部之后的数据部分，IP首部由系统填写。
绑定套接口
在原始套接口上调用bind函数，只是设置本地地址，系统不关心端口值，因为原始套接口没有端口的概念。
通常原始套接口不调用bind，而是在发送数据时由系统自己选择外出接口。
当bind中的地址不属于本机任何网络接口时，函数会失败。
连接套接口
函数connect设置原始套接口的目的地址，也不关心端口值，并把套接口标识为已连接，这里的已连接只表示设置了目的地址。
本地地址不受connect的影响，没有调用bind时，仍然是未设定的。
发送数据
发送数据通常都用sendto，在参数to中指定要发送的目的地址，如果已经调用了connect，也可以用send发送数据。
接收数据
接收数据通常用recvfrom，如果不关心对方的地址，也可以用recv。
调用recvfrom之前必须调用过bind、connect或者sendto中的一个函数，将本地或目的地址信息告诉系统，如果直接调用recvfrom，WinSock返回失败。
关闭
关闭原始套接口与关闭其他类型的套接口是一样的，调用closesocket函数即可。
输出处理
-
原始套接口发送数据通常用sendto，在第五个参数to中指定要发送的目的地址。
-
如果调用过connect，目的地址已经设定，发送数据时，可以直接调用send，当然也可以用sendto，并且第五个参数to设置为NULL。
当to不为NULL时，系统会把数据发送到to所指定的目的地址，但调用connect时保存在套接口中的目的地址不会改变。
这样产生的问题是如果to中与connect的地址不同，由于这个套接口的目的地址是由connect指定的，故从to中地址输入的数据报就不会在这个套接口上接收到。
-
发送的目的地址可以是任何有效的IP地址，包括广播或多播地址。为了向广播地址发送数据，程序必须用选项SO_BROADCAST调用setsockopt设置套接口才能够广播，否则send或sendto将失败，错误码为WSAEACCES。
使用原始套接口的应用程序不需要加入一个多播组，就可以向该组播地址发送数据。
-
原始套接口发送的数据长度，包括IP首部在内不能大于IP协议允许的最大值65535。
-
如果设置了IP_HDRINCL选项，用户需要自己构造IP首部及其后面的数据，提供给系统的数据长度也包括IP首部在内。
如果IP首部后面的数据需要校验和，则必须自己计算。
对IP首部，校验和由系统计算，标识符（Identification）可以设置为0，系统会设置标识符字段。
Windows中填写IP首部时，各个字段的值都要使用网络字节序。
-
未设置IP_HDRINCL选项时，默认值，发送数据时传给系统的缓冲区是IP首部之后的数据，系统会在用户数据前增加一个IP首部，并填写IP首部中的各个字段。
其中协议字段设置为调用socket函数时的第三个参数，源地址是bind的本地地址，没有调用bind时，系统根据外出接口自动设置。
目的地址是connect或sendto中指定的地址。
-
输出数据的长度超过外出网络接口的最大传输单元MTU时，IP协议对数据分片。
输入处理
-
原始套接口接收数据通常用recvfrom，第五个参数from可以返回对方的地址，如果应用程序不关心对方的地址，也可以用recv接收数据。
-
对于IPv4，应用程序接收到的是整个IP数据报，包含IP首部，即总是指向IP首部的第一个字节，不管是否设置IP_HDRINCL选项，IP首部中的所有字段都是网络字节序。
-
如果数据报是分片的，IP协议在收到所有分片后进行重组，并把组装完整的数据报交给原始套接口。
在TCP/IP协议栈接收一个完整的数据报后，它检查所有的套接口，找到与数据报中信息匹配的套接口，并把该数据报复制一份，复制到匹配的套接口中。
-
·调用socket创建套接口时，当第三个参数protocol不为0时，则接收数据报IP首部中的协议字段必须与该值相等，不相等时，该数据报不会传送给这个套接口。如果参数protocol为0，表示套接口不关心协议字段是否匹配，只要其他条件满足，就接收该数据报。
-
当应用程序调用bind函数绑定了一个本地地址时，输入数据报的目的IP地址必须与绑定的地址相等，否则数据报不会交给这个套接口。如果没有指定本地地址，将不检查数据的目的地址。
-
如果调用connect函数规定了对方IP地址，收到数据报的源IP地址要与该地址相等，不相等时，数据报不会交给这个套接口；如果没有指定对方IP地址，协议栈不检查接收数据报的源地址。
因为满足上面条件的原始套接口会收到一份复制的数据报，所以使用原始套接口的应用程序可能会收到很多无关的数据报。
例： Ping程序会创建一个协议类型为ICMP的原始套接口，到达本机的其他ICMP分组，如目的不可达、重定向、时间戳也会交给应用程序，应用程序必须自己提供机制来识别它要处理的数据报，抛弃与它无关的数据报。Ping程序可以通过检查ICMP首部中的标识符来识别它要处理的数据报。
原始套接口的限制
在Windows上使用原始套接口时要求具有管理员权限，如果用户不属于管理员组成员，运行原始套接口程序时，函数调用会失败，错误码为WSAEACCES。
在Windows7、Windows Vista、Windows XP带有Service Pack 2或3上，使用原始套接口时有下面两个限制：
-
不能发送TCP数据，创建协议类型为IPPROTO_TCP的原始套接口，调用bind或sendto函数时会失败，错误码为WSAEINVAL；
-
协议类型为IPPROTO_UDP的原始套接口，输出UDP数据报的源IP地址必须是本机网络接口的地址，如果源IP地址不是本机的，调用sendto时会失败。
在Windows Server 2008 R2、Windows Server 2008、Windows Server 2003或Windows XP（SP2）的早期版本没有上面的限制。
-
接收到TCP分组不会交给任何原始套接口，TCP分组由系统的协议栈处理。进程想要接收包含TCP首部的IP数据报，必须在数据链路层上读取。
-
对于收到的UDP分组, 如果有在数据报的目的端口侦听的UDP套接口，该分组交给UDP套接口处理，不会再交给原始套接口；如果没有在数据报的目的端口侦听的UDP套接口，系统再查找是否有协议类型为UDP的原始套接口，查到则把该分组放到原始套接口的接收缓冲区中。
-
接收到ICMP分组的IP数据报时，Windows在协议栈中帮助处理Echo请求（8）、时间戳请求（13）、地址掩码请求（17），不会把这三种类型的ICMP数据报交给原始套接口，其他的ICMP分组都将交给对应的原始套接口处理。
-
协议栈对无法识别协议字段的IP数据报，都传递给对应的原始套接口。协议栈会对IP数据报做些基本的检查，包括IP版本、长度、校验和、选项及目的地址。
-
当协议栈处理完IGMP后，把所有IGMP分组交给原始套接口。如果原始套接口要接收IGMP分组的话，需要创建协议类型为IPPROTO_IGMP类型的原始套接口，调用bind绑定本地地址，然后用选项IP_ADD_MEMBERSHIP把本机加入一个多播组中，才能接收到IGMP分组。发送时不用bind和加入多播组，直接构造IGMP分组发送即可。
-
windows有很多安全限制，使用原始套接口比较麻烦，默认配置，程序接收不到ICMP分组，调用recvfrom函数总是返回WSAETIMEDOUT，需要做如下的配置才能够接收到ICMP分组:
-
管理员身份， 否则使用原始套接口会失败。
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关闭UAC, User Account Control（UAC）用户账户控制, 默认是打开的，只允许写到注册表中经过认证的应用程序。
控制面板→ 用户账户 → 更改用户账户控制设置
-
更改/关闭防火墙， 默认不允许输入的ICMPv4分组
-
Demo–Ping程序
ping用来检查网络的连通性、另一台主机是否可达、测量两台主机的延迟等。
原理：
- 向目标主机发送一个ICMP类型的IP数据报，IP负载是ICMP的Echo请求，目标主机收到分组后，把ICMP的类型修改为Echo应答，并把同样的数据报返回给发送主机
- Ping过程中，记录了包丢失的个数，往返延迟，总结了发送和接收分组的个数、丢失情况、最小和最大及平均往返延迟。
Ping向目标主机发送一个ICMP的Echo请求，Echo请求中的数据必须在应答中返回。
Echo中的标识符和序列号可以帮助发送者识别相匹配的应答消息，如：可以把标识符设置为发送进程的ID，每次发送Echo请求都把序列号加1。另外，为了计算往返时间，通常在可选数据中保存发送Echo请求的时间戳。
ICMP规定：接收者在应答中把标识符、序列号及可选数据返回给发送者。
Ping的负面影响
-
暴露目标主机信息，可以确定目标主机的存在，解析IP首部字段，初步判断目标主机使用的操作系统。
-
Ping死亡攻击（Ping of Death），默认情况，Ping发送的数据大小是32字节，包含IP和ICMP首部时是60字节。
当Ping数据报大于IPv4最大允许长度65535时，许多系统都不能处理。Windows为了解决这一漏洞，对Ping数据报的大小做了限制，最多允许发送65500字节的数据，超过这个限制时会失败。
-
拒绝服务攻击。持续地向同一台主机发送大量的Ping数据报，制造ICMP风暴，抢占了大量网络带宽
#include <stdio.h>
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "ws2_32.lib") /* WinSock使用的库函数 */
/* ICMP类型 */
#define ICMP_TYPE_ECHO 8
#define ICMP_TYPE_ECHO_REPLY 0
#define ICMP_MIN_LEN 8 /* ICMP最小长度, 只有首部 */
#define ICMP_DEF_COUNT 4 /* 默认数据次数 */
#define ICMP_DEF_SIZE 32 /* 默认数据长度 */
#define ICMP_DEF_TIMEOUT 1000 /* 默认超时时间, 毫秒 */
#define ICMP_MAX_SIZE 65500 /* 最大数据长度 */
/* IP首部 -- RFC 791 */
struct ip_hdr
{
unsigned char vers_len; /* 版本和首部长度 */
unsigned char tos; /* 服务类型 */
unsigned short total_len; /* 数据报的总长度 */
unsigned short id; /* 标识符 */
unsigned short frag; /* 标志和片偏移 */
unsigned char ttl; /* 生存时间 */
unsigned char proto; /* 协议 */
unsigned short checksum; /* 校验和 */
unsigned int sour; /* 源IP地址 */
unsigned int dest; /* 目的IP地址 */
};
/* ICMP首部 -- RFC 792 */
struct icmp_hdr
{
unsigned char type; /* 类型 */
unsigned char code; /* 代码 */
unsigned short checksum; /* 校验和 */
unsigned short id; /* 标识符 */
unsigned short seq; /* 序列号 */
/* 这之后的不是标准ICMP首部, 用于记录时间 */
unsigned long timestamp;
};
struct icmp_user_opt
{
unsigned int persist; /* 一直Ping */
unsigned int count; /* 发送Echo请求的数量 */
unsigned int size; /* 发送数据的大小 */
unsigned int timeout; /* 等待答复的超时时间 */
char *host; /* 主机地址 */
unsigned int send; /* 发送数量 */
unsigned int recv; /* 接收数量 */
unsigned int min_t; /* 最短时间 */
unsigned int max_t; /* 最长时间 */
unsigned int total_t; /* 总的累计时间 */
};
/* 随机数据 */
const char icmp_rand_data[] = "abcdefghigklmnopqrstuvwxyz0123456789"
"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";
struct icmp_user_opt user_opt_g = {
0, ICMP_DEF_COUNT, ICMP_DEF_SIZE, ICMP_DEF_TIMEOUT, NULL,
0, 0, 0xFFFF,0, 0
};
/*
* 计算校验和
http://t.zoukankan.com/Evil-Rebe-p-5043765.html
*/
unsigned short ip_checksum(unsigned short *buf, int buf_len){
unsigned long cksum = 0;
while(buf_len>1)
{
cksum += *buf++;
buf_len -= sizeof(unsigned short);
}
if(buf_len)
{
cksum += *(unsigned char*)buf;
}
cksum = (cksum>>16) + (cksum&0xffff);
cksum += (cksum>>16);
return (unsigned short)(~cksum);
}
/**
* 构造ICMP数据
* @param icmp_data 数据缓冲区
* @param data_size 缓冲区长度
* @param sequence ICMP序列号
*/
void icmp_make_data(char *icmp_data, int data_size, int sequence)
{
struct icmp_hdr *icmp_hdr;
char *data_buf;
int data_len;
int fill_count = sizeof(icmp_rand_data) / sizeof(icmp_rand_data[0]);
/* 填写ICMP数据 */
data_buf = icmp_data + sizeof(struct icmp_hdr);
data_len = data_size - sizeof(struct icmp_hdr);
while (data_len > fill_count)
{
memcpy(data_buf, icmp_rand_data, fill_count);
data_len -= fill_count;
}
if (data_len > 0)
memcpy(data_buf, icmp_rand_data, data_len);
/* 填写ICMP首部 */
icmp_hdr = (struct icmp_hdr *)icmp_data;
icmp_hdr->type = ICMP_TYPE_ECHO;
icmp_hdr->code = 0;
icmp_hdr->id = (unsigned short)GetCurrentProcessId();
icmp_hdr->checksum = 0;
icmp_hdr->seq = sequence;
icmp_hdr->timestamp = GetTickCount();
icmp_hdr->checksum = ip_checksum((unsigned short*)icmp_data, data_size);
}
/**
* 解析接收到的ICMP响应
* @param buf 接收到的缓冲区
* @param buf_len 数据的长度
* @param from 对方的ip
*/
int icmp_parse_reply(char *buf, int buf_len,struct sockaddr_in *from)
{
/*
hdr_len : ip首部长度
icmp_len: icmp头部+ 数据的长度
buf_len: icmp_数据的长度 ( 最后会赋为这个值 )
*/
struct ip_hdr *ip_hdr;
struct icmp_hdr *icmp_hdr;
unsigned short hdr_len;
int icmp_len;
unsigned long trip_t;
ip_hdr = (struct ip_hdr *)buf;
hdr_len = (ip_hdr->vers_len & 0xf) << 2 ; /* IP首部长度 */
if (buf_len < hdr_len + ICMP_MIN_LEN)
{
printf("[Ping] Too few bytes from %s\n", inet_ntoa(from->sin_addr));
return -1;
}
icmp_hdr = (struct icmp_hdr *)(buf + hdr_len);
icmp_len = ntohs(ip_hdr->total_len) - hdr_len;
/* 检查校验和 */
if (ip_checksum((unsigned short *)icmp_hdr, icmp_len))
{
printf("[Ping] icmp checksum error!\n");
return -1;
}
/* 检查ICMP类型 */
if (icmp_hdr->type != ICMP_TYPE_ECHO_REPLY)
{
printf("[Ping] not echo reply : %d\n", icmp_hdr->type);
return -1;
}
/* 检查ICMP的ID */
if (icmp_hdr->id != (unsigned short)GetCurrentProcessId())
{
printf("[Ping] someone else's message!\n");
return -1;
}
/* 输出响应信息 */
trip_t = GetTickCount() - icmp_hdr->timestamp;
buf_len = ntohs(ip_hdr->total_len) - hdr_len - ICMP_MIN_LEN;
printf("%d bytes from %s:", buf_len, inet_ntoa(from->sin_addr));
printf(" icmp_seq = %d time: %d ms\n",icmp_hdr->seq, trip_t);
user_opt_g.recv++;
user_opt_g.total_t += trip_t;
/* 记录返回时间 */
if (user_opt_g.min_t > trip_t)
user_opt_g.min_t = trip_t;
if (user_opt_g.max_t < trip_t)
user_opt_g.max_t = trip_t;
return 0;
}
/**
* 接收数据并处理ICMP响应
* @param icmp_soc 原始套接字描述符
*/
int icmp_process_reply(SOCKET icmp_soc)
{
/*
从原始套接字中接收到的数据包含了IP首部
*/
struct sockaddr_in from_addr;
int result, data_size = user_opt_g.size;
int from_len = sizeof(from_addr);
char *recv_buf;
data_size += sizeof(struct ip_hdr) + sizeof(struct icmp_hdr);
recv_buf = (char *)malloc(data_size);
/* 接收数据 */
result = recvfrom(icmp_soc, recv_buf, data_size, 0,
(struct sockaddr*)&from_addr, &from_len);
if (result == SOCKET_ERROR)
{
if (WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT)
printf("timed out\n");
else
printf("[PING] recvfrom_ failed: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}
result = icmp_parse_reply(recv_buf, result, &from_addr);
free(recv_buf);
return result;
}
/**
* 打印帮助信息
* @param prog_name 文件名(xxx.c 或者 xxx\\yyy.c)
*/
void icmp_help(char *prog_name)
{
char *file_name;
file_name = strrchr(prog_name, '\\');
if (file_name != NULL)
file_name++;
else
file_name = prog_name;
/* 显示帮助信息 */
printf(" usage: %s host_address [-t] [-n count] [-l size] "
"[-w timeout]\n", file_name);
printf(" -t Ping the host until stopped.\n");
printf(" -n count the count to send ECHO\n");
printf(" -l size the size to send data\n");
printf(" -w timeout timeout to wait the reply\n");
exit(1); // 直接退出
}
/**
* 解析用户的输入命令行参数
* t 一直ping
* n count ping的次数
* l size 发送数据的大小
* w timeout 等待响应的时间
*/
void icmp_parse_param(int argc, char **argv)
{
int i;
for(i = 1; i < argc; i++)
{
if ((argv[i][0] != '-') && (argv[i][0] != '/'))
{
/* 处理主机名 */
if (user_opt_g.host)
icmp_help(argv[0]);
else
{
user_opt_g.host = argv[i];
continue;
}
}
switch (tolower(argv[i][1]))
{
case 't': /* 持续Ping */
user_opt_g.persist = 1;
break;
case 'n': /* 发送请求的数量 */
i++;
user_opt_g.count = atoi(argv[i]);
break;
case 'l': /* 发送数据的大小 */
i++;
user_opt_g.size = atoi(argv[i]);
if (user_opt_g.size > ICMP_MAX_SIZE)
user_opt_g.size = ICMP_MAX_SIZE;
break;
case 'w': /* 等待接收的超时时间 */
i++;
user_opt_g.timeout = atoi(argv[i]);
break;
default:
icmp_help(argv[0]);
break;
}
}
}
int main(int argc, char **argv)
{
WSADATA wsaData;
SOCKET icmp_soc;
struct sockaddr_in dest_addr;
struct hostent *host_ent = NULL;
int result, data_size, send_len;
unsigned int i, timeout, lost;
char *icmp_data;
unsigned int ip_addr = 0;
unsigned short seq_no = 0;
if (argc < 2)
icmp_help(argv[0]);
icmp_parse_param(argc, argv);
WSAStartup(MAKEWORD(2,0),&wsaData);
/* 解析主机地址 */
ip_addr = inet_addr(user_opt_g.host);
if (ip_addr == INADDR_NONE)
{
host_ent = gethostbyname(user_opt_g.host);
if (!host_ent)
{
printf("[PING] Fail to resolve %s\n", user_opt_g.host);
return -1;
}
memcpy(&ip_addr, host_ent->h_addr_list[0], host_ent->h_length);
}
icmp_soc = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
if (icmp_soc == INVALID_SOCKET)
{
printf("[PING] socket() failed: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}
/* 设置选项, 接收和发送的超时时间 */
timeout = user_opt_g.timeout;
result = setsockopt(icmp_soc, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO,
(char*)&timeout, sizeof(timeout));
timeout = 1000;
result = setsockopt(icmp_soc, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO,
(char*)&timeout, sizeof(timeout));
memset(&dest_addr,0,sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_addr.s_addr = ip_addr;
data_size = user_opt_g.size + sizeof(struct icmp_hdr) - sizeof(long);
icmp_data = (char *)malloc(data_size);
if (host_ent)
printf("Ping %s [%s] with %d bytes data\n", user_opt_g.host,
inet_ntoa(dest_addr.sin_addr), user_opt_g.size);
else
printf("Ping [%s] with %d bytes data\n", inet_ntoa(dest_addr.sin_addr),
user_opt_g.size);
/* 发送请求并接收响应 */
for (i = 0; i < user_opt_g.count; i++)
{
icmp_make_data(icmp_data, data_size, seq_no++);
send_len = sendto(icmp_soc, icmp_data, data_size, 0,
(struct sockaddr*)&dest_addr, sizeof(dest_addr));
if (send_len == SOCKET_ERROR)
{
if (WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT)
{
printf("[PING] sendto is timeout\n");
continue;
}
printf("[PING] sendto failed: %d\n", WSAGetLastError());
break;
}
user_opt_g.send++;
result = icmp_process_reply(icmp_soc);
user_opt_g.persist ? i-- : i; /* 持续Ping */
Sleep(1000); /* 延迟 1 秒 */
}
lost = user_opt_g.send - user_opt_g.recv;
/* 打印统计数据 */
printf("\nStatistic :\n");
printf(" Packet : sent = %d, recv = %d, lost = %d (%3.f%% lost)\n",
user_opt_g.send, user_opt_g.recv, lost, (float)lost*100/user_opt_g.send);
if (user_opt_g.recv > 0)
{
printf("Roundtrip time (ms)\n");
printf(" min = %d ms, max = %d ms, avg = %d ms\n", user_opt_g.min_t,
user_opt_g.max_t, user_opt_g.total_t / user_opt_g.recv);
}
free(icmp_data);
closesocket(icmp_soc);
WSACleanup();
return 0;
}
1700
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