Linux内核发送构造数据包的方式

2020-05-25 00:00:00 函数 发送 路由 构造 数据包

一、构造数据包简析

这里并不详细介绍如何在内核中构造数据包，下文如有需要会在适当的位置进行分析。这里简单的分析讲一下内核态基于Netfilter框架构造数据包的方式。
内核中可以用到的构造数据包的方式，个人认为可以分为两种。

其一，我们直接用alloc_skb申请一个skb结构体，然后根据实际的应用填充不同的成员，或者基于当前数据包的skb，调用skb_copy_expand()函数等新申请一个nskb，并且拷贝skb的内容。

其二，也是个人比较常用的，就是直接在先前接收到的数据包skb上作修改，主要有源IP、目IP，如果是TCP/UDP协议的话，还有源端口目的端口号。总之，就是根据自己的需求去调整数据包的相关成员即可。

通常，这两种方式终可能都要涉及到重新计算各个部分的校验和，这也是必须的。


二、如何发送构造的数据包

承接上文，数据包已经构造完毕，下一步关键就是如何发送数据包了。个人这里总结的有两种方法。

方法一，就是让数据包接着按照Netfilter的流程进行传输。因为数据包的一些内容已经被更改，尤其是当源IP和目的IP被更改，主要是交换的情况下，是需要确保有路由可查的。

NF框架中查路由的位置一是在PREROUTING之后，而是在LOCALOUT之后。又由于这里是需要将数据包从本地发送出去。因此，可以考虑让修改后的数据包从LOCALOUT点发出。

内核代码中有这种方式的典型体现。本文涉及的相关内核代码的版本都是2.6.18.3。源文件为ipt_REJECT.c，函数send_reset用于往当前接收到数据包的源IP上发送RST包，整个函数涉及了数据包的构造和发送，这里一起做个简单分析。

  1. /* Send RST reply */
  2. static void send_reset(struct sk_buff *oldskb, int hook)
  3. {
  4.         struct sk_buff *nskb;
  5.         struct iphdr *iph = oldskb->nh.iph;
  6.         struct tcphdr _otcph, *oth, *tcph;
  7.         struct rtable *rt;
  8.         u_int16_t tmp_port;
  9.         u_int32_t tmp_addr;
  10.         int needs_ack;
  11.         int hh_len;

  13.         /* 判断是否是分片包*/
  14.         if (oldskb->nh.iph->frag_off & htons(IP_OFFSET))
  15.                 return;
  16.         
  17. /*得到TCP头部指针*/
  18.         oth = skb_header_pointer(oldskb, oldskb->nh.iph->ihl * 4,
  19.                                  sizeof(_otcph), &_otcph);
  20.         if (oth == NULL)
  21.                 return;

  23.         /* 当期收到的包就是RST包，就不用再发送RST包了*/
  24.         if (oth->rst)
  25.                 return;

  27.         /*检查数据包的校验和是否正确*/
  28.         if (nf_ip_checksum(oldskb, hook, iph->ihl * 4, IPPROTO_TCP))
  29.                 return;
  30.         /*这一步比较关键，做的就是更新路由的工作。该函数的主要工作就是将当前数据包的源IP当做路由的目的IP，同时考虑数据包的目的IP，得到去往该源IP的路由*/
  31.         if ((rt = route_reverse(oldskb, oth, hook)) == NULL)
  32.                 return;

  34.         hh_len = LL_RESERVED_SPACE(rt->u.dst.dev);

  36.         /* 拷贝当前的oldskb,包括skb结构体和数据部分。这就是我们上面提到的构造数据包的种方式*/
  37.         nskb = skb_copy_expand(oldskb, hh_len, skb_tailroom(oldskb),
  38.                                GFP_ATOMIC);
  39.         if (!nskb) {
  40.                 dst_release(&rt->u.dst);
  41.                 return;
  42.         }

  44.         /*因为是拷贝的oldskb,这里不需要再引用了，因此释放对该路由项的引用*/
  45.         dst_release(nskb->dst);
  46.         /*将新构造数据包引用的路由指向上面由route_reverse函数返回的新的路由项 */
  47.         nskb->dst = &rt->u.dst;

  49.         /* 清除nskb中拷贝过来的oldskb中链接跟踪相关的内容*/
  50.         nf_reset(nskb);
  51.         nskb->nfmark = 0;
  52.         skb_init_secmark(nskb);

  54.         /*以下就是构造数据包的实际数据部分。如果我们将这里不为nskb新申请缓冲区，而直接指向oldskb的缓冲区，就使我们上面提到的第二种构造数据包的方法。*/
  55.         /*获取nskb的tcp header*/
  56.         tcph = (struct tcphdr *)((u_int32_t*)nskb->nh.iph + nskb->nh.iph->ihl);

  58.         /*交换源和目的IP */
  59.         tmp_addr = nskb->nh.iph->saddr;
  60.         nskb->nh.iph->saddr = nskb->nh.iph->daddr;
  61.         nskb->nh.iph->daddr = tmp_addr;

  63.         /*交换源和目的端口 */
  64.         tmp_port = tcph->source;
  65.         tcph->source = tcph->dest;
  66.         tcph->dest = tmp_port;

  68.         /*重置TCP头部的长度，并修改IP头部中记录的数据包的总长度。因为这里是发送RST报文，只需要有TCP的头部，不需要TCP的数据部分*/
  69.         tcph->doff = sizeof(struct tcphdr)/4;
  70.         skb_trim(nskb, nskb->nh.iph->ihl*4 + sizeof(struct tcphdr));
  71.         nskb->nh.iph->tot_len = htons(nskb->len);

  73.         /*重新设置 seq, ack_seq，分两种情况（TCP/IP详解有描述）*/
  74.         if (tcph->ack) { /*原始数据包中ACK标记位置位的情况*/
  75.                 needs_ack = 0;
  76.                 tcph->seq = oth->ack_seq; /*原始数据包的ack_seq作为nskb的seq*/
  77.                 tcph->ack_seq = 0;
  78.         } else { /*原始数据包中ACK标记位没有置位的情况，初始连接SYN或者结束连接FIN等*/
  79.                 needs_ack = 1;
  80.                 /*这种情况应该是SYN或者FIN包，由于SYN和FIN包都占用1个字节的长度。因此ack_seq应该等于旧包的seq+1即可。这里之所以这样表示，可能是还存在其他情况的数据包。*/
  81.                 tcph->ack_seq = htonl(ntohl(oth->seq) + oth->syn + oth->fin
  82.                                       + oldskb->len - oldskb->nh.iph->ihl*4
  83.                                       - (oth->doff<<2));
  84.                 tcph->seq = 0;
  85.         }

  87.         /* RST标记位置1*/
  88.         ((u_int8_t *)tcph)[13] = 0;
  89.         tcph->rst = 1;
  90.         tcph->ack = needs_ack;

  92.         tcph->window = 0;
  93.         tcph->urg_ptr = 0;

  95.         /*重新计算TCP校验和*/
  96.         tcph->check = 0;
  97.         tcph->check = tcp_v4_check(tcph, sizeof(struct tcphdr),
  98.                                    nskb->nh.iph->saddr,
  99.                                    nskb->nh.iph->daddr,
  100.                                    csum_partial((char *)tcph,
  101.                                                 sizeof(struct tcphdr), 0));

  103.         /* 修改IP包的TTL，并且设置禁止分片*/
  104.         nskb->nh.iph->ttl = dst_metric(nskb->dst, RTAX_HOPLIMIT);
  105.         /* Set DF, id = 0 */
  106.         nskb->nh.iph->frag_off = htons(IP_DF);
  107.         nskb->nh.iph->id = 0;

  109.         /*重新计算IP数据包头部校验和*/
  110.         nskb->nh.iph->check = 0;
  111.         nskb->nh.iph->check = ip_fast_csum((unsigned char *)nskb->nh.iph, 
  112.                                            nskb->nh.iph->ihl);

  114.         /* "Never happens" */
  115.         if (nskb->len > dst_mtu(nskb->dst))
  116.                 goto free_nskb;
  117. /*使nskb和oldskb的链接记录关联*/
  118.         nf_ct_attach(nskb, oldskb);
  119.         
  120. /*这里就是终发送数据包的方式，具体方法就是让新数据包经过LOACLOUT的hook点，然后查路由，后经由POSTROUTING点，将数据包发送出去。
  121. 其实这里我还是有1个疑问：（1）为什么不可以直接查找路由，而必须先经过LOCALOUT点*/
  122.         NF_HOOK(PF_INET, NF_IP_LOCAL_OUT, nskb, NULL, nskb->dst->dev,
  123.                 dst_output);
  124.         return;

  126. free_nskb:
  127.         kfree_skb(nskb);
  128. }

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