***之旅――原始套接字（Raw Socket）透析(1)－－引言

1.引言
大多数程序员所接触到的套接字（Socket）为两类：
（1）流式套接字（SOCK_STREAM）：一种面向连接的Socket，针对于面向连接的TCP服务应用；
（2）数据报式套接字（SOCK_DGRAM）：一种无连接的Socket，对应于无连接的UDP服务应用。
从用户的角度来看，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM这两类套接字似乎的确涵盖了TCP/IP应用的全部，因为基于TCP/IP的应用，从协议栈的层次上讲，在传输层的确只可能建立于TCP或UDP协议之上（图1），而SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM又分别对应于TCP和UDP，所以几乎所有的应用都可以用这两类套接字实现。
 
图1 TCP/IP协议栈
但是，当我们面对如下问题时，SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM将显得这样无助：
（1） 怎样发送一个自定义的IP包？
（2） 怎样发送一个ICMP协议包？
（3） 怎样使本机进入杂糅模式，从而能够进行网络sniffer？
（4） 怎样分析所有经过网络的包，而不管这样包是否是发给自己的？
（5） 怎样伪装本地的IP地址？
这使得我们必须面对另外一个深刻的主题――原始套接字（Raw Socket）。Raw Socket广泛应用于高级网络编程，也是一种广泛的***手段。著名的网络sniffer、拒绝服务***（DOS）、IP欺骗等都可以以Raw Socket实现。
Raw Socket与标准套接字（SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM）的区别在于前者直接置“根”于操作系统网络核心（Network Core），而SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM则“悬浮”于TCP和UDP协议的外围，如图2所示：
 
图2 Raw Socket与标准Socket
当我们使用Raw Socket的时候，可以完全自定义IP包，一切形式的包都可以“制造”出来。因此，本文事先必须对TCP/IP所涉及IP包结构进行必要的交待。
目前，IPv4的报头结构为：
版本号（4） 包头长（4） 服务类型（8） 数据包长度（16）
标识（16） 偏移量（16）
生存时间（8） 传输协议（8） 校验和（16）
源地址（32） 
目的地址（32） 
选项（8） ......... 填充
对其进行数据结构封装：
typedef struct _iphdr //定义IP报头
{
 unsigned char h_lenver; //4位首部长度+4位IP版本号
 unsigned char tos; //8位服务类型TOS
 unsigned short total_len; //16位总长度（字节）
 unsigned short ident; //16位标识
 unsigned short frag_and_flags; //3位标志位
 unsigned char ttl; //8位生存时间 TTL
 unsigned char proto; //8位协议 (TCP, UDP 或其他)
 unsigned short checksum; //16位IP首部校验和
 unsigned int sourceIP; //32位源IP地址
 unsigned int destIP; //32位目的IP地址
} IP_HEADER;
或者将上述定义中的第一字节按位拆分：
typedef struct _iphdr //定义IP报头
{
 unsigned char h_len : 4; //4位首部长度
 unsigned char ver : 4;   //4位IP版本号
 unsigned char tos;
 unsigned short total_len;
 unsigned short ident;
 unsigned short frag_and_flags;
 unsigned char ttl;
 unsigned char proto;
 unsigned short checksum;
 unsigned int sourceIP;
 unsigned int destIP;
} IP_HEADER;
更加严格地讲，上述定义中h_len、ver字段的内存存放顺序还与具体CPU的Endian有关，因此，更加严格的IP_HEADER可定义为：
typedef struct _iphdr //定义IP报头
{
#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
 unsigned char h_len : 4; //4位首部长度
 unsigned char ver : 4;   //4位IP版本号
#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)
 unsigned char ver : 4;   //4位IP版本号
 unsigned char h_len : 4; //4位首部长度
#endif
 unsigned char tos;
 unsigned short total_len;
 unsigned short ident;
 unsigned short frag_and_flags;
 unsigned char ttl;
 unsigned char proto;
 unsigned short checksum;
 unsigned int sourceIP;
 unsigned int destIP;
} IP_HEADER;
TCP报头结构为：
源端口（16） 目的端口（16）
序列号（32）
确认号（32）
TCP偏移量（4） 保留（6） 标志（6） 窗口（16）
校验和（16） 紧急（16）
选项（0或32）
数据（可变）
    对应数据结构：
typedef struct psd_hdr //定义TCP伪报头
{
 unsigned long saddr; //源地址
 unsigned long daddr; //目的地址
 char mbz;
 char ptcl; //协议类型
 unsigned short tcpl; //TCP长度
}PSD_HEADER;

typedef struct _tcphdr //定义TCP报头
{
 unsigned short th_sport; //16位源端口
 unsigned short th_dport; //16位目的端口
 unsigned int th_seq; //32位序列号
 unsigned int th_ack; //32位确认号
 unsigned char th_lenres;   //4位首部长度/4位保留字
 unsigned char th_flag; //6位标志位
 unsigned short th_win; //16位窗口大小
 unsigned short th_sum; //16位校验和
 unsigned short th_urp; //16位紧急数据偏移量
} TCP_HEADER;
同样地，TCP头的定义也可以将位域拆分：
typedef struct _tcphdr
{
 unsigned short th_sport;
 unsigned short th_dport;
 unsigned int th_seq;
 unsigned int th_ack;
 /*little-endian*/
 unsigned short tcp_res1: 4,  tcp_hlen: 4, tcp_fin: 1, tcp_syn: 1, tcp_rst: 1, tcp_psh: 1,     tcp_ack: 1, tcp_urg: 1, tcp_res2: 2;
 unsigned short th_win;
 unsigned short th_sum;
 unsigned short th_urp;
} TCP_HEADER;
UDP报头为：
源端口（16） 目的端口（16）
报文长（16） 校验和（16）
对应的数据结构为：
typedef struct _udphdr //定义UDP报头
{
 unsigned short uh_sport;//16位源端口
 unsigned short uh_dport;//16位目的端口
 unsigned short uh_len;//16位长度
 unsigned short uh_sum;//16位校验和
} UDP_HEADER;
ICMP协议是网络层中一个非常重要的协议，其全称为Internet Control Message Protocol（因特网控制报文协议），ICMP协议弥补了IP的缺限，它使用IP协议进行信息传递，向数据包中的源端节点提供发生在网络层的错误信息反馈。ICMP报头为：
类型（8） 代码（8） 校验和（16）
消息内容
常用的回送与或回送响应ICMP消息对应数据结构为：
typedef struct _icmphdr //定义ICMP报头(回送与或回送响应)
{
    unsigned char i_type;//8位类型
    unsigned char i_code; //8位代码
    unsigned short i_cksum; //16位校验和
    unsigned short i_id; //识别号（一般用进程号作为识别号）
    unsigned short i_seq; //报文序列号
    unsigned int timestamp;//时间戳
} ICMP_HEADER;
常用的ICMP报文包括ECHO-REQUEST（响应请求消息）、ECHO-REPLY（响应应答消息）、Destination Unreachable（目标不可到达消息）、Time Exceeded（超时消息）、Parameter Problems（参数错误消息）、Source Quenchs（源抑制消息）、Redirects（重定向消息）、Timestamps（时间戳消息）、Timestamp Replies（时间戳响应消息）、Address Masks（地址掩码请求消息）、Address Mask Replies（地址掩码响应消息）等，是Internet上十分重要的消息。后面章节中所涉及到的ping命令、ICMP拒绝服务***、路由欺骗都与ICMP协议息息相关。
另外，本系列文章中的部分源代码参考了一些优秀程序员的开源项目，由于篇幅的关系我们不能一一列举，在此一并表示感谢。
So, let’s go.