C++ `CAP_NET_RAW` 与原始套接字：构建自定义网络协议栈

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++和CAP_NET_RAW权限，以及它们是如何一起帮助我们构建自定义网络协议栈的。这听起来可能有点吓人，但别担心，我会尽量用最通俗易懂的方式，再加上一些代码示例，让大家明白其中的原理。

什么是原始套接字？

首先，我们需要了解什么是原始套接字（Raw Socket）。 想象一下，普通的TCP/UDP套接字就像是快递公司，你把你的数据（包裹）交给它，它会帮你打包、贴标签、运输，最终送到目的地。你不需要关心底层的具体细节，比如地址的编码、校验和的计算、拥塞控制等等。

而原始套接字就像是自己开卡车送货。 你需要自己负责所有的事情：自己打包数据，自己贴标签（设置IP头、TCP/UDP头），自己计算校验和，自己选择路线（路由），甚至自己处理交通堵塞（拥塞控制）。

更具体地说，原始套接字允许我们直接访问网络层（IP层）或者传输层（TCP/UDP层）以下的数据。 我们可以发送和接收未经内核协议栈处理的原始IP数据包，或者自定义TCP/UDP头部的报文。

为什么要使用原始套接字？

既然自己送货这么麻烦，为什么还要使用原始套接字呢？ 原因有很多：

• 协议分析和调试: 你可以捕获网络上的所有数据包，并进行深入的分析，例如 Wireshark 就是基于原始套接字实现的。
• 自定义协议: 你可以创建自己的网络协议，而不受现有TCP/UDP协议的限制。 例如，你可以实现一个自定义的加密协议，或者一个基于UDP的可靠传输协议。
• 性能优化: 在某些特定的场景下，直接控制网络数据包的发送和接收可以带来性能的提升。 例如，在游戏服务器中，为了减少延迟，可以自定义一些UDP协议的参数。
• 安全研究: 你可以模拟各种网络攻击，例如 SYN Flood 攻击，或者进行协议漏洞的测试。

CAP_NET_RAW权限：开启上帝模式

默认情况下，普通用户是没有权限创建原始套接字的。 这是因为原始套接字具有强大的能力，如果被滥用，可能会造成安全问题。 例如，恶意用户可以使用原始套接字伪造IP地址，发送欺骗性的数据包。

为了使用原始套接字，我们需要CAP_NET_RAW权限。 CAP_NET_RAW是Linux capabilities系统中的一个能力，它允许进程执行以下操作：

• 创建SOCK_RAW套接字。
• 绑定到任何IP地址。
• 发送和接收ICMP数据包。

你可以把CAP_NET_RAW权限想象成是网络世界的“上帝模式”。 有了它，你就可以为所欲为，但同时也需要承担相应的责任。

如何获取CAP_NET_RAW权限？

获取CAP_NET_RAW权限的方法有很多种：

1. 以root用户身份运行程序: 这是最简单的方法，但也是最不推荐的方法。 以root用户身份运行程序会带来很大的安全风险。

2. 使用sudo: 你可以使用sudo命令以root用户身份运行特定的程序，例如 sudo ./my_raw_socket_program。

3. 使用setcap命令: setcap命令允许你为特定的可执行文件设置capabilities。 例如，你可以使用以下命令为my_raw_socket_program程序设置CAP_NET_RAW权限：

   sudo setcap cap_net_raw+ep ./my_raw_socket_program

   这条命令会将CAP_NET_RAW权限添加到my_raw_socket_program程序的effective 和 permitted capabilities set 中。 这意味着，即使以普通用户身份运行my_raw_socket_program程序，它仍然可以创建原始套接字。

4. 使用libcap库: libcap库提供了一组API，允许你在程序中动态地获取和释放capabilities。 这是一种更加灵活和安全的方法。

C++代码示例：发送ICMP Echo Request

下面是一个简单的C++代码示例，演示如何使用原始套接字发送ICMP Echo Request（也就是我们常说的Ping）数据包。

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>

// 计算校验和
unsigned short checksum(unsigned short *buf, int len) {
    unsigned long sum = 0;
    for (; len > 1; len -= 2) {
        sum += *buf++;
    }
    if (len == 1) {
        sum += *(unsigned char *)buf;
    }
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);
    sum += (sum >> 16);
    return (unsigned short)(~sum);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <destination_ip>n";
        return 1;
    }

    const char *dest_ip_str = argv[1];

    // 创建原始套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
    if (sock < 0) {
        std::cerr << "Error creating socket: " << strerror(errno) << "n";
        return 1;
    }

    // 设置IP头包含选项
    int header_include = 1;
    if (setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &header_include, sizeof(header_include)) < 0) {
        std::cerr << "Error setting IP_HDRINCL: " << strerror(errno) << "n";
        close(sock);
        return 1;
    }

    // 构造IP头
    struct ip iphdr;
    iphdr.ip_hl = 5;             // IP Header Length (5 x 4 = 20 bytes)
    iphdr.ip_v = 4;              // IPv4
    iphdr.ip_tos = 0;            // Type of Service
    iphdr.ip_len = sizeof(struct ip) + sizeof(struct icmphdr) + 8; // Total Length (IP header + ICMP header + data)
    iphdr.ip_id = htons(12345);  // Identification
    iphdr.ip_off = 0;            // Fragment Offset Flags
    iphdr.ip_ttl = 64;           // Time to Live
    iphdr.ip_p = IPPROTO_ICMP;   // Protocol (ICMP)
    iphdr.ip_sum = 0;            // Checksum (will be calculated later)
    iphdr.ip_src.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // Source IP Address (replace with your actual IP if needed)
    if (inet_pton(AF_INET, dest_ip_str, &iphdr.ip_dst) <= 0) {
        std::cerr << "Invalid destination IP addressn";
        close(sock);
        return 1;
    }

    // 构造ICMP头
    struct icmphdr icmphdr;
    icmphdr.type = ICMP_ECHO;      // ICMP Type (Echo Request)
    icmphdr.code = 0;            // ICMP Code
    icmphdr.checksum = 0;        // Checksum (will be calculated later)
    icmphdr.un.echo.id = htons(123); // Identifier
    icmphdr.un.echo.sequence = htons(1); // Sequence Number

    // 构造数据
    char data[8] = "abcdefgh";

    // 计算ICMP校验和
    unsigned short icmp_packet[sizeof(struct icmphdr) + sizeof(data)];
    memcpy(icmp_packet, &icmphdr, sizeof(struct icmphdr));
    memcpy(icmp_packet + sizeof(struct icmphdr) / 2, data, sizeof(data)); //注意这里的偏移量
    icmphdr.checksum = checksum((unsigned short *)icmp_packet, sizeof(struct icmphdr) + sizeof(data));
    icmphdr.checksum = htons(icmphdr.checksum);

    // 计算IP校验和
    iphdr.ip_sum = checksum((unsigned short *)&iphdr, sizeof(struct ip));
    iphdr.ip_sum = htons(iphdr.ip_sum);

    // 构造完整的IP数据包
    char packet[sizeof(struct ip) + sizeof(struct icmphdr) + sizeof(data)];
    memcpy(packet, &iphdr, sizeof(struct ip));
    memcpy(packet + sizeof(struct ip), &icmphdr, sizeof(struct icmphdr));
    memcpy(packet + sizeof(struct ip) + sizeof(struct icmphdr), data, sizeof(data));

    // 设置目标地址
    struct sockaddr_in dest_addr;
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    if (inet_pton(AF_INET, dest_ip_str, &dest_addr.sin_addr) <= 0) {
        std::cerr << "Invalid destination IP addressn";
        close(sock);
        return 1;
    }
    dest_addr.sin_port = 0; // Not used for ICMP

    // 发送数据包
    if (sendto(sock, packet, sizeof(packet), 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr)) < 0) {
        std::cerr << "Error sending packet: " << strerror(errno) << "n";
        close(sock);
        return 1;
    }

    std::cout << "ICMP Echo Request sent to " << dest_ip_str << "n";

    // 关闭套接字
    close(sock);

    return 0;
}

代码解释：

1. 包含头文件: 包含了必要的头文件，例如 sys/socket.h 用于套接字编程，netinet/ip.h 和 netinet/ip_icmp.h 用于定义IP和ICMP头结构，arpa/inet.h 用于IP地址转换。
2. checksum 函数: 计算IP和ICMP头的校验和。 校验和是用于验证数据完整性的一个简单的哈希值。
3. main 函数:
   • 创建原始套接字: 使用 socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP) 创建一个原始套接字，指定协议为IPPROTO_ICMP。
   • 设置 IP_HDRINCL 选项: 使用 setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &header_include, sizeof(header_include)) 设置 IP_HDRINCL 选项。 这个选项告诉内核，我们自己会构造IP头，而不是让内核帮我们构造。
   • 构造IP头: 构造一个 ip 结构体，设置IP头的各个字段，例如版本号、头部长度、总长度、生存时间、协议类型、源IP地址、目标IP地址等等。
   • 构造ICMP头: 构造一个 icmphdr 结构体，设置ICMP头的各个字段，例如类型（Echo Request）、代码、校验和、标识符、序列号等等。
   • 构造数据: 构造一些数据，例如 "abcdefgh"，作为ICMP数据包的内容。
   • 计算校验和: 分别计算ICMP头和IP头的校验和。
   • 构造完整的IP数据包: 将IP头、ICMP头和数据拼接成一个完整的IP数据包。
   • 设置目标地址: 构造一个 sockaddr_in 结构体，设置目标IP地址。
   • 发送数据包: 使用 sendto 函数发送数据包。
   • 关闭套接字: 使用 close 函数关闭套接字。

编译和运行：

1. 保存代码: 将代码保存为 icmp_sender.cpp。

2. 编译代码: 使用以下命令编译代码：

   g++ icmp_sender.cpp -o icmp_sender

3. 获取CAP_NET_RAW权限: 使用 setcap 命令为 icmp_sender 程序设置 CAP_NET_RAW 权限：

   sudo setcap cap_net_raw+ep ./icmp_sender

4. 运行程序: 运行程序，指定目标IP地址，例如：

   ./icmp_sender 8.8.8.8

   这个命令会向 8.8.8.8 发送一个 ICMP Echo Request 数据包。

注意事项：

• 权限问题: 确保你已经正确地设置了 CAP_NET_RAW 权限，否则程序会报错。
• IP地址: 你需要将 iphdr.ip_src.s_addr 设置为你自己的IP地址，或者设置为 0，让内核自动选择。
• 校验和: 校验和的计算非常重要，如果校验和不正确，数据包会被路由器丢弃。
• 防火墙: 防火墙可能会阻止ICMP数据包的发送和接收，你需要配置防火墙允许ICMP流量。
• 错误处理: 代码中包含了一些基本的错误处理，但你需要根据实际情况进行完善。

更高级的应用：自定义TCP协议

除了发送ICMP数据包，原始套接字还可以用于构建自定义的TCP协议。 这需要你完全理解TCP协议的细节，包括三次握手、数据传输、拥塞控制、流量控制等等。

下面是一个简单的例子，演示如何使用原始套接字发送一个SYN数据包，发起TCP连接。 请注意，这只是一个简化的例子，实际的TCP协议要复杂得多。

#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/tcp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
#include <cerrno>
#include <random>

// 计算校验和
unsigned short checksum(unsigned short *buf, int len, unsigned int src_addr, unsigned int dest_addr) {
    unsigned long sum = 0;
    unsigned short pseudo_header[4];

    // Pseudo Header
    pseudo_header[0] = (src_addr >> 16) & 0xFFFF;
    pseudo_header[1] = src_addr & 0xFFFF;
    pseudo_header[2] = (dest_addr >> 16) & 0xFFFF;
    pseudo_header[3] = dest_addr & 0xFFFF;

    sum += pseudo_header[0] + pseudo_header[1] + pseudo_header[2] + pseudo_header[3] + htons(IPPROTO_TCP) + htons(len);

    for (; len > 1; len -= 2) {
        sum += *buf++;
    }
    if (len == 1) {
        sum += *(unsigned char *)buf;
    }
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);
    sum += (sum >> 16);
    return (unsigned short)(~sum);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 3) {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <destination_ip> <destination_port>n";
        return 1;
    }

    const char *dest_ip_str = argv[1];
    int dest_port = std::stoi(argv[2]);

    // 创建原始套接字
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_TCP);
    if (sock < 0) {
        std::cerr << "Error creating socket: " << strerror(errno) << "n";
        return 1;
    }

    // 设置IP头包含选项
    int header_include = 1;
    if (setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &header_include, sizeof(header_include)) < 0) {
        std::cerr << "Error setting IP_HDRINCL: " << strerror(errno) << "n";
        close(sock);
        return 1;
    }

    // 构造IP头
    struct ip iphdr;
    iphdr.ip_hl = 5;             // IP Header Length (5 x 4 = 20 bytes)
    iphdr.ip_v = 4;              // IPv4
    iphdr.ip_tos = 0;            // Type of Service
    iphdr.ip_len = sizeof(struct ip) + sizeof(struct tcphdr); // Total Length (IP header + TCP header)
    iphdr.ip_id = htons(12345);  // Identification
    iphdr.ip_off = 0;            // Fragment Offset Flags
    iphdr.ip_ttl = 64;           // Time to Live
    iphdr.ip_p = IPPROTO_TCP;   // Protocol (TCP)
    iphdr.ip_sum = 0;            // Checksum (will be calculated later)
    iphdr.ip_src.s_addr = inet_addr("127.0.0.1"); // Source IP Address (replace with your actual IP if needed)
    if (inet_pton(AF_INET, dest_ip_str, &iphdr.ip_dst) <= 0) {
        std::cerr << "Invalid destination IP addressn";
        close(sock);
        return 1;
    }

    // 构造TCP头
    struct tcphdr tcphdr;
    std::random_device rd;
    std::mt19937 gen(rd());
    std::uniform_int_distribution<> distrib(10000, 65535);
    int source_port = distrib(gen);

    tcphdr.source = htons(source_port); // Source Port
    tcphdr.dest = htons(dest_port);     // Destination Port
    tcphdr.seq = htonl(1);              // Sequence Number
    tcphdr.ack_seq = 0;                 // Acknowledgement Number
    tcphdr.doff = 5;                    // Data Offset (5 x 4 = 20 bytes)
    tcphdr.syn = 1;                     // SYN Flag
    tcphdr.ack = 0;                     // ACK Flag
    tcphdr.rst = 0;                     // RST Flag
    tcphdr.fin = 0;                     // FIN Flag
    tcphdr.window = htons(65535);       // Window Size
    tcphdr.check = 0;                   // Checksum (will be calculated later)
    tcphdr.urg_ptr = 0;                 // Urgent Pointer

    // 计算TCP校验和
    unsigned short tcp_packet[sizeof(struct tcphdr) / 2];
    memcpy(tcp_packet, &tcphdr, sizeof(struct tcphdr));
    tcphdr.check = checksum((unsigned short *)tcp_packet, sizeof(struct tcphdr), iphdr.ip_src.s_addr, iphdr.ip_dst.s_addr);
    tcphdr.check = htons(tcphdr.check);

    // 计算IP校验和
    iphdr.ip_sum = checksum((unsigned short *)&iphdr, sizeof(struct ip), 0, 0); // IP Checksum 不需要伪首部
    iphdr.ip_sum = htons(iphdr.ip_sum);

    // 构造完整的IP数据包
    char packet[sizeof(struct ip) + sizeof(struct tcphdr)];
    memcpy(packet, &iphdr, sizeof(struct ip));
    memcpy(packet + sizeof(struct ip), &tcphdr, sizeof(struct tcphdr));

    // 设置目标地址
    struct sockaddr_in dest_addr;
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    if (inet_pton(AF_INET, dest_ip_str, &dest_addr.sin_addr) <= 0) {
        std::cerr << "Invalid destination IP addressn";
        close(sock);
        return 1;
    }
    dest_addr.sin_port = htons(dest_port);

    // 发送数据包
    if (sendto(sock, packet, sizeof(packet), 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr)) < 0) {
        std::cerr << "Error sending packet: " << strerror(errno) << "n";
        close(sock);
        return 1;
    }

    std::cout << "TCP SYN packet sent to " << dest_ip_str << ":" << dest_port << "n";

    // 关闭套接字
    close(sock);

    return 0;
}

代码解释：

这个例子与ICMP的例子类似，但有一些关键的区别：

• TCP头: 构造 tcphdr 结构体，设置TCP头的各个字段，例如源端口、目标端口、序列号、确认号、标志位等等。
• TCP校验和: TCP校验和的计算需要包含一个伪头部（Pseudo Header），伪头部包含了源IP地址、目标IP地址、协议类型和TCP长度。
• SYN标志: 设置 tcphdr.syn = 1，表示这是一个SYN数据包。
• 端口随机化: 使用随机数生成一个源端口，避免端口冲突。

需要注意的是，这个例子只是发送了一个SYN数据包，并没有处理后续的握手过程。 要实现完整的TCP协议，你需要处理SYN-ACK和ACK数据包，并维护连接状态。

总结：

CAP_NET_RAW权限和原始套接字为我们提供了构建自定义网络协议栈的强大工具。 你可以使用它们进行协议分析、自定义协议、性能优化和安全研究。 但是，使用原始套接字需要你对网络协议有深入的理解，并注意安全问题。

希望今天的讲解能够帮助大家理解C++和CAP_NET_RAW权限，以及它们在构建自定义网络协议栈中的应用。 谢谢大家！