Logo

菜单

Administrator
Administrator
发布于 2024-12-03 / 19 阅读
0
0

构造UDP数据包详解

#学习记录#c语言

构造UDP数据包详解

UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）是一种简单的无连接传输层协议，适用于需要快速传输、对数据可靠性要求不高的应用场景，如实时视频、在线游戏、DNS查询等。构造UDP数据包涉及手动设置UDP头部字段和数据负载，通常通过原始套接字（Raw Socket）实现。这在网络工具开发、协议研究和网络安全领域中尤为重要。

本文将详细介绍UDP数据包的结构、构造步骤、相关函数和注意事项，并提供关键代码片段以辅助理解。

目录

  1. UDP数据包结构
  2. 构造UDP数据包的步骤
  3. UDP校验和计算
  4. 使用原始套接字发送UDP数据包
  5. 代码片段示例
  6. 注意事项
  7. 总结

1. UDP数据包结构

UDP数据包由UDP头部和数据负载两部分组成。标准的UDP头部长度为8字节，包含以下字段：

字段名称 长度 描述
源端口 16位 发送方的端口号。
目的端口 16位 接收方的端口号。
长度 16位 UDP头部和数据负载的总长度，单位为字节。
校验和 16位 用于数据完整性验证，包括伪头部。
数据负载 可变 实际传输的数据内容。

UDP头部详细结构

  0      7 8     15 16    23 24    31
 +--------+--------+--------+--------+
 | Src Port | Dst Port | Length | Checksum|
 +--------+--------+--------+--------+
 |          Data Payload                |
 +--------------------------------------+
  • 源端口（Src Port）：16位，指定发送方的端口号。
  • 目的端口（Dst Port）：16位，指定接收方的端口号。
  • 长度（Length）：16位，整个UDP数据包的长度，包括头部和数据负载。最小值为8（仅UDP头部）。
  • 校验和（Checksum）：16位，用于验证UDP数据包的完整性。包括伪头部、UDP头部和数据负载。
  • 数据负载（Data Payload）：可变长度，实际传输的数据内容。

2. 构造UDP数据包的步骤

构造UDP数据包通常包括以下步骤：

  1. 创建原始套接字：使用 socket() 函数创建一个原始套接字，通常需要超级用户权限。
  2. 构造UDP头部：手动填充源端口、目的端口、长度和校验和字段。
  3. 添加数据负载：将要传输的数据添加到UDP头部后。
  4. 计算校验和：根据UDP校验和的计算规则，计算并填充校验和字段。
  5. 发送数据包：使用 sendto() 函数通过原始套接字发送构造的UDP数据包。

3. UDP校验和计算

UDP校验和用于验证数据包在传输过程中是否被篡改或损坏。其计算涉及伪头部、UDP头部和数据负载。

伪头部结构

伪头部不在实际UDP数据包中传输，但用于计算校验和。包括以下字段：

字段名称 长度 描述
源IP地址 32位 发送方的IP地址。
目的IP地址 32位 接收方的IP地址。
保留字段 8位 全部为0。
协议 8位 指定上层协议，UDP为17。
UDP长度 16位 UDP头部和数据负载的总长度，单位为字节。

校验和计算步骤

  1. 准备伪头部：包括源IP、目的IP、保留字段、协议和UDP长度。
  2. 合并伪头部和UDP数据包：将伪头部、UDP头部和数据负载连续放置。
  3. 计算16位的校验和：
    • 将数据按16位一组相加，溢出部分回卷（即高位加到低位）。
    • 取反得到最终的校验和。
  4. 填充校验和字段：将计算得到的校验和填入UDP头部的校验和字段。

4. 使用原始套接字发送UDP数据包

通过原始套接字构造和发送UDP数据包的基本流程如下：

  1. 创建原始套接字：

    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
    • 参数说明：
      • AF_INET：使用IPv4协议族。
      • SOCK_RAW：创建原始套接字。
      • IPPROTO_RAW：指定原始IP协议。

  2. 设置套接字选项：启用IP头部的手动填充。

    int one = 1;
const int *val = &one;
if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, val, sizeof(one)) < 0) {
    perror("setsockopt failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}
    • IP_HDRINCL：告知操作系统，应用程序将自行构造IP头部。

  3. 构造UDP数据包：

    • 准备缓冲区：分配足够的空间来存放IP头部、UDP头部和数据负载。

      char packet[4096];
memset(packet, 0, sizeof(packet));

    • 填充IP头部：设置版本、头部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、TTL、协议、源IP、目的IP等字段。

      struct iphdr *ip = (struct iphdr *)packet;
ip->version = 4;
ip->ihl = 5; // 5 * 4 = 20字节
ip->tos = 0;
ip->tot_len = htons(sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr) + data_len);
ip->id = htons(54321);
ip->frag_off = 0;
ip->ttl = 64;
ip->protocol = IPPROTO_UDP;
ip->saddr = inet_addr("192.168.1.100"); // 源IP
ip->daddr = inet_addr("192.168.1.1");   // 目的IP
ip->check = 0;
ip->check = checksum((unsigned short *)ip, sizeof(struct iphdr));

    • 填充UDP头部：设置源端口、目的端口、长度和校验和。

      struct udphdr *udp = (struct udphdr *)(packet + sizeof(struct iphdr));
udp->source = htons(12345);    // 源端口
udp->dest = htons(80);         // 目的端口
udp->len = htons(sizeof(struct udphdr) + data_len);
udp->check = 0; // 先设为0，后续计算

    • 添加数据负载：

      char *data = packet + sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr);
strcpy(data, "Hello, UDP!");

    • 计算UDP校验和：

      udp->check = udp_checksum(ip, udp, data, data_len);

  4. 发送UDP数据包：

    struct sockaddr_in dest;
dest.sin_family = AF_INET;
dest.sin_port = udp->dest;
dest.sin_addr.s_addr = ip->daddr;

if (sendto(sockfd, packet, ntohs(ip->tot_len), 0,
           (struct sockaddr *)&dest, sizeof(dest)) < 0) {
    perror("sendto failed");
    close(sockfd);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

5. 代码片段示例

以下代码片段展示了如何构造和发送UDP数据包的关键部分。

定义IP和UDP头部结构

#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

// IPv4头部结构（已定义在 <netinet/ip.h>）
struct iphdr {
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
    unsigned int ihl:4;
    unsigned int version:4;
#elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
    unsigned int version:4;
    unsigned int ihl:4;
#endif
    uint8_t tos;
    uint16_t tot_len;
    uint16_t id;
    uint16_t frag_off;
    uint8_t ttl;
    uint8_t protocol;
    uint16_t check;
    uint32_t saddr;
    uint32_t daddr;
    // 可选字段和填充
};

// UDP头部结构（已定义在 <netinet/udp.h>）
struct udphdr {
    uint16_t source;
    uint16_t dest;
    uint16_t len;
    uint16_t check;
};

计算校验和的辅助函数

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

// UDP校验和计算，包括伪头部
unsigned short udp_checksum(struct iphdr *ip, struct udphdr *udp, char *data, int data_len) {
    struct pseudo_header {
        uint32_t src_addr;
        uint32_t dest_addr;
        uint8_t placeholder;
        uint8_t protocol;
        uint16_t udp_length;
    } pseudo;

    pseudo.src_addr = ip->saddr;
    pseudo.dest_addr = ip->daddr;
    pseudo.placeholder = 0;
    pseudo.protocol = IPPROTO_UDP;
    pseudo.udp_length = udp->len;

    int pseudo_size = sizeof(pseudo);
    int total_length = pseudo_size + ntohs(udp->len);
    unsigned short *buf = malloc(total_length);
    memcpy(buf, &pseudo, pseudo_size);
    memcpy(buf + (pseudo_size / 2), udp, sizeof(struct udphdr));
    memcpy(buf + (pseudo_size / 2) + sizeof(struct udphdr) / 2, data, data_len);

    unsigned short result = checksum(buf, total_length);
    free(buf);
    return result;
}

构造和发送UDP数据包

// 创建和发送UDP数据包
void send_udp_packet() {
    // 创建原始套接字
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置套接字选项，告知内核IP头由用户构造
    int one = 1;
    if (setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &one, sizeof(one)) < 0) {
        perror("setsockopt failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 准备缓冲区
    char packet[4096];
    memset(packet, 0, sizeof(packet));

    // 填充IP头部
    struct iphdr *ip = (struct iphdr *)packet;
    ip->version = 4;
    ip->ihl = 5;
    ip->tos = 0;
    ip->tot_len = htons(sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr) + strlen("Hello, UDP!"));
    ip->id = htons(54321);
    ip->frag_off = 0;
    ip->ttl = 64;
    ip->protocol = IPPROTO_UDP;
    ip->saddr = inet_addr("192.168.1.100"); // 源IP
    ip->daddr = inet_addr("192.168.1.1");   // 目的IP
    ip->check = 0;
    ip->check = checksum((unsigned short *)ip, sizeof(struct iphdr));

    // 填充UDP头部
    struct udphdr *udp = (struct udphdr *)(packet + sizeof(struct iphdr));
    udp->source = htons(12345);    // 源端口
    udp->dest = htons(80);         // 目的端口
    udp->len = htons(sizeof(struct udphdr) + strlen("Hello, UDP!"));
    udp->check = 0; // 先设为0，后续计算

    // 添加数据负载
    char *data = packet + sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct udphdr);
    strcpy(data, "Hello, UDP!");

    // 计算UDP校验和
    udp->check = udp_checksum(ip, udp, data, strlen(data));

    // 目标地址结构体
    struct sockaddr_in dest;
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_port = udp->dest;
    dest.sin_addr.s_addr = ip->daddr;

    // 发送数据包
    if (sendto(sockfd, packet, ntohs(ip->tot_len), 0, (struct sockaddr *)&dest, sizeof(dest)) < 0) {
        perror("sendto failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("UDP packet sent successfully.\n");

    // 关闭套接字
    close(sockfd);
}

6. 注意事项

在构造和发送UDP数据包时，需注意以下几点：

1. 权限要求

  • 超级用户权限：创建原始套接字通常需要超级用户（root）权限。否则，socket() 函数会因权限不足而失败。

    sudo ./your_program

2. 字节序（Endianness）

  • 网络字节序：网络协议使用大端字节序。使用 htons()（主机到网络短整数）和 htonl()（主机到网络长整数）转换端口号和IP地址。

    udp->source = htons(12345);
udp->dest = htons(80);
ip->tot_len = htons(total_length);

3. 校验和的正确计算

  • 伪头部：UDP校验和的计算需要包括伪头部。务必确保伪头部的源IP、目的IP、协议和UDP长度字段正确填写。
  • 填充：如果数据长度为奇数，需要在数据末尾填充一个字节（通常为0）以保证16位对齐。

4. 数据包长度

  • 总长度：确保 IP_HDRLEN + UDP_HDRLEN + data_len 不超过MTU（通常为1500字节）以避免分片，除非允许分片。
  • 字段设置：ip->tot_len 和 udp->len 必须正确设置为整个IP数据包和UDP数据包的长度。

5. 校验和的可选性

  • IPv4中的UDP校验和：在IPv4中，UDP校验和是可选的，但强烈推荐启用以确保数据完整性。若不计算校验和，可以将 udp->check 设置为0。
  • IPv6中的UDP校验和：在IPv6中，UDP校验和为必需字段。

6. 网络接口选择

  • 多网卡环境：确保选择正确的网络接口进行发送，以避免数据包发送到错误的网络。

    // 可选：绑定套接字到特定的网络接口
struct ifreq ifr;
strncpy(ifr.ifr_name, "eth0", IFNAMSIZ-1);
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BINDTODEVICE, (void *)&ifr, sizeof(ifr)) < 0) {
    perror("setsockopt SO_BINDTODEVICE failed");
    // 继续或退出
}

7. 防火墙和网络安全

  • 防火墙配置：确保防火墙允许发送和接收自定义UDP数据包，避免被阻挡或过滤。
  • 安全性：构造和发送自定义UDP数据包可能被视为潜在的安全威胁，需遵守相关法律法规和道德规范。

7. 总结

构造UDP数据包涉及手动设置UDP和IP头部字段，并确保数据包的各部分正确对齐和校验。通过原始套接字，开发者可以深入理解网络协议的工作原理，开发网络工具或进行协议研究。然而，手动构造数据包需要对网络协议有深入的理解，并需谨慎处理字节序、校验和计算及权限管理等问题。

关键要点：

  • UDP头部：包括源端口、目的端口、长度和校验和。
  • IP头部：需要正确设置版本、头部长度、总长度、源和目的IP等字段。
  • 校验和：包括伪头部、UDP头部和数据负载，确保数据完整性。
  • 原始套接字：需超级用户权限，启用 IP_HDRINCL 选项以手动构造IP头部。
  • 字节序转换：使用 htons() 和 htonl() 转换端口号和IP地址。
  • 安全性：遵守法律法规，确保数据包构造和发送的合法性。

通过掌握上述知识和步骤，您可以有效地构造和发送自定义的UDP数据包，用于网络通信、测试和研究等多种应用场景。如果您有更多关于UDP协议或网络编程的问题，欢迎继续提问！

校验和计算详解
IP协议头部的结构和字段详解

评论