はじめに

この記事では、C++で仮想NICを作ります。

目標として、作った仮想NICにIPパケットを送ると、仮想NICのコンソールに送られてきたペイロードを表示させるまでやります。

前提条件

Ubuntu 24.04.3 LTS
gcc version 13.3.0
x86_64
UbuntuはWSLで動かしてます

TUN/TAP

TUN/TAPはUnix系のシステムで利用できる仮想的なネットワークインターフェイスです。(wiki)

今回はこれを使って実装します。

仮想NICのプログラム (パケットを待ち受ける)

コマンドライン引数でデバイス名を設定します。

vnic.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <linux/if.h>
#include <linux/if_tun.h>
#include <iomanip>
#include <assert.h>

// MTUより大きく設定
const int DEFAULT_BUFFER_SIZE = 2048;

// 16進数とASCIIでダンプする関数
void hex_dump(const unsigned char *buffer, int length)
{
    std::cout << "Packet received (" << length << " bytes):" << std::endl;

    for (int i = 0; i < length; i += 16)
    {
        // オフセット表示
        std::cout << std::hex << std::setw(4) << std::setfill('0') << i << ": ";

        // 16進数部分
        for (int j = 0; j < 16; ++j)
        {
            if (i + j < length)
            {
                std::cout << std::hex << std::setw(2) << std::setfill('0')
                          << (int)buffer[i + j] << " ";
            }
            else
            {
                std::cout << "   ";
            }
        }

        std::cout << " | ";

        // ASCII部分
        for (int j = 0; j < 16; ++j)
        {
            if (i + j < length)
            {
                unsigned char c = buffer[i + j];
                // 印字可能文字かチェック
                if (c >= 32 && c <= 126)
                {
                    std::cout << c;
                }
                else
                {
                    std::cout << ".";
                }
            }
        }
        std::cout << std::dec << std::endl;
    }
    std::cout << "----------------------------------------------------" << std::endl;
}

int open_dev(const char *dev)
{
    int fd = open(dev, O_RDWR);
    assert(fd >= 0);
    return fd;
}

void init_ifreq(struct ifreq *ifr, const char *device_name)
{
    std::memset(ifr, 0, sizeof(struct ifreq));

    // フラグ設定:
    // IFF_TUN   : IPパケット (Layer 3)
    // IFF_NO_PI : パケット情報のヘッダを付与しない (純粋なIPパケットだけ受け取る)
    ifr->ifr_flags = IFF_TUN | IFF_NO_PI;

    // インターフェース名を指定 (例: tun0)
    std::strncpy(ifr->ifr_name, device_name, IFNAMSIZ);
}

void create_tun(int fd, struct ifreq *ifr)
{
    int err;
    if ((err = ioctl(fd, TUNSETIFF, (void *)ifr)) < 0)
    {
        std::cerr << "Error creating TUN device." << std::endl;
        close(fd);
        exit(1);
    }
}

int main(const int argc, const char *argv[])
{
    struct ifreq ifr;
    int fd, err;
    const char *clonedev = "/dev/net/tun";
    unsigned char buffer[DEFAULT_BUFFER_SIZE];

    if (argc < 2)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <device_name>" << std::endl;
        std::cerr << "Example: " << argv[0] << " vnic0" << std::endl;
        return 1;
    }

    // TUNを開く
    fd = open_dev(clonedev);

    // ifreqの初期化
    init_ifreq(&ifr, argv[1]);

    // デバイスの作成 (登録)
    create_tun(fd, &ifr);

    std::cout << "Interface " << ifr.ifr_name << " created." << std::endl;
    std::cout << "Please configure IP address in another terminal." << std::endl;
    std::cout << "Waiting for packets..." << std::endl;

    // パケット読み取りループ
    while (true)
    {
        ssize_t nread = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
        if (nread < 0)
        {
            std::cerr << "Error reading from interface." << std::endl;
            break;
        }

        // ペイロードの表示
        hex_dump(buffer, nread);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

仮想NIC実行

sudo つけてください。

sudo ./vnic vnic0

`ip a` で仮想NICを確認

仮想NIC実行前

$ ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 10.255.255.254/32 brd 10.255.255.254 scope global lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1280 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:15:5d:f5:bd:cd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.26.85.222/20 brd 172.26.95.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::215:5dff:fef5:bdcd/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever

仮想NIC実行中

$ ip a
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default qlen 1000
    link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
    inet 127.0.0.1/8 scope host lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet 10.255.255.254/32 brd 10.255.255.254 scope global lo
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 ::1/128 scope host 
       valid_lft forever preferred_lft forever
2: eth0: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1280 qdisc mq state UP group default qlen 1000
    link/ether 00:15:5d:f5:bd:cd brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
    inet 172.26.85.222/20 brd 172.26.95.255 scope global eth0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::215:5dff:fef5:bdcd/64 scope link 
       valid_lft forever preferred_lft forever
3: vnic0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP> mtu 1500 qdisc noop state DOWN group default qlen 500
    link/none

vnic0 というデバイスができました。IPアドレスが無いし起動してないですね。

IPアドレスを割り振って起動する

# IPアドレス (10.0.0.1) を割り当て
sudo ip addr add 10.0.0.1/24 dev vnic0

# インターフェースを起動
sudo ip link set up dev vnic0

3: vnic0: <POINTOPOINT,MULTICAST,NOARP,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state UNKNOWN group default qlen 500
    link/none 
    inet 10.0.0.1/24 scope global vnic0
       valid_lft forever preferred_lft forever
    inet6 fe80::7ab9:3aa6:ac4d:768b/64 scope link stable-privacy 
       valid_lft forever preferred_lft forever

IPアドレスが割り当てられました。

仮想NICがなにかパケットを受け取ってます。

先頭4bitが6なのでIPv6です。宛先アドレスがFF02::2なのでRS（Router Solicitation）です。

Interface vnic0 created.
Please configure IP address in another terminal.
Waiting for packets...
Packet received (48 bytes):
0000: 60 00 00 00 00 08 3a ff fe 80 00 00 00 00 00 00  | `.....:.........
0010: 7a b9 3a a6 ac 4d 76 8b ff 02 00 00 00 00 00 00  | z.:..Mv.........
0020: 00 00 00 00 00 00 00 02 85 00 a4 fe 00 00 00 00  | ................
----------------------------------------------------
Packet received (48 bytes):
0000: 60 00 00 00 00 08 3a ff fe 80 00 00 00 00 00 00  | `.....:.........
0010: 7a b9 3a a6 ac 4d 76 8b ff 02 00 00 00 00 00 00  | z.:..Mv.........
0020: 00 00 00 00 00 00 00 02 85 00 a4 fe 00 00 00 00  | ................
----------------------------------------------------

邪魔なのでとりあえずIPv6を無効化します。デバイス名の指定に注意してください。

sudo sysctl -w net.ipv6.conf.vnic0.disable_ipv6=1

IPパケットを送る

socket 関数で生ソケットを作ってIPパケットの上にメッセージを付けて送ります。

sender.cpp

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

#define MAX_MESSAGE_SIZE 1024

// チェックサム計算関数 (IPヘッダに必須)
unsigned short csum(unsigned short *ptr, int nbytes)
{
    long sum;
    unsigned short oddbyte;
    short answer;

    sum = 0;
    while (nbytes > 1)
    {
        sum += *ptr++;
        nbytes -= 2;
    }
    if (nbytes == 1)
    {
        oddbyte = 0;
        *((unsigned char *)&oddbyte) = *(unsigned char *)ptr;
        sum += oddbyte;
    }

    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
    sum += (sum >> 16);
    answer = (short)~sum;

    return answer;
}

void init_ipv4header(struct iphdr *iph, const char *source_ip, const char *dest_ip)
{
    // IPヘッダの設定
    iph->version = 4; // IPv4
    iph->ihl = 5;     // ヘッダ長 (5 * 32bit = 20 bytes)
    iph->tos = 0;     // Type of Service
    // iph->tot_len = htons(sizeof(struct iphdr) + payload_len); // 全長
    iph->id = htons(54321); // ID (適当な値)
    iph->frag_off = 0;      // フラグメントオフセット
    iph->ttl = 255;         // Time to Live
    iph->protocol = 253;    // プロトコル番号 (253, 254は実験用)
    iph->check = 0;         // チェックサム計算前は0にする
    iph->saddr = inet_addr(source_ip);
    iph->daddr = inet_addr(dest_ip);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    if (argc != 3)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " <Source IP> <Dest IP>" << std::endl;
        std::cerr << "Example: " << argv[0] << " 10.0.0.1 10.0.0.2" << std::endl;
        return 1;
    }

    const char *source_ip = argv[1];
    const char *dest_ip = argv[2];
    char *message_ptr;

    // 生ソケットの作成 (AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)
    int sock = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
    assert(sock >= 0);

    // IP_HDRINCL: IPヘッダを自作することをカーネルに伝える
    int one = 1;
    assert(setsockopt(sock, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &one, sizeof(one)) >= 0);

    // パケットバッファの準備
    char packet[4096];
    memset(packet, 0, sizeof(packet));

    // IPヘッダ構造体のポインタ設定
    struct iphdr *iph = (struct iphdr *)packet;
    init_ipv4header(iph, source_ip, dest_ip);

    // 送信先構造体の設定 (sendto用)
    struct sockaddr_in dest;
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_addr.s_addr = inet_addr(dest_ip);

    message_ptr = packet + sizeof(struct iphdr);

    // ペイロード入力ループ
    while (true)
    {
        // ペイロード文字列の入力
        std::memset(message_ptr, 0, MAX_MESSAGE_SIZE);
        std::cout << "Enter payload string (max " << MAX_MESSAGE_SIZE - 1 << " chars): ";
        std::cin.getline(message_ptr, MAX_MESSAGE_SIZE);
        if (std::cin.eof())
        {
            break;
        }

        // ペイロード長の計算とIPヘッダの更新
        int payload_len = strlen(message_ptr);
        if (payload_len + sizeof(struct iphdr) > sizeof(packet))
        {
            std::cerr << "Payload too large!" << std::endl;
            continue;
        }
        iph->tot_len = htons(sizeof(struct iphdr) + payload_len);
        iph->check = 0;
        iph->check = csum((unsigned short *)packet, sizeof(struct iphdr));

        // パケット送信
        assert(sendto(sock, packet, ntohs(iph->tot_len), 0, (struct sockaddr *)&dest, sizeof(dest)) >= 0);
    }

    close(sock);
    return 0;
}

実行

sudo つけて実行してください。第1引数が送信元で、第2引数が送信先アドレスです。送信元はいくつでもいいです。送信先は仮想NICのアドレスを10.0.0.1/24にしたため、10.0.0.0/24のネットワークのアドレスにしてください。

$ sudo ./sender 10.0.0.1 10.0.0.2
Enter payload string (max 1023 chars): 12345678  
Enter payload string (max 1023 chars): abcdefgh
Enter payload string (max 1023 chars): aaaaaaaa

IPヘッダーの後ろにIPパケットより上のデータが見えますね。

Packet received (28 bytes):
0000: 45 00 00 1c d4 31 00 00 ff fd d2 b0 0a 00 00 01  | E....1..........
0010: 0a 00 00 02 31 32 33 34 35 36 37 38              | ....12345678
----------------------------------------------------
Packet received (28 bytes):
0000: 45 00 00 1c d4 31 00 00 ff fd d2 b0 0a 00 00 01  | E....1..........
0010: 0a 00 00 02 61 62 63 64 65 66 67 68              | ....abcdefgh
----------------------------------------------------
Packet received (28 bytes):
0000: 45 00 00 1c d4 31 00 00 ff fd d2 b0 0a 00 00 01  | E....1..........
0010: 0a 00 00 02 61 61 61 61 61 61 61 61              | ....aaaaaaaa
----------------------------------------------------

まとめ

本記事では、C++で仮想NICを作りました。

需要あったらいいな