C言語で作る！Raw SocketによるTCP SYNパケット送信の実験

初めに

前回はソケットを用いてHTTPリクエストを送信する実験を行いました。
（参考）https://qiita.com/earthen94/items/2ba51c53671f7fc4f2b4

今回は通信の仕組みをより深く理解する為、自分でIPおよびTCPヘッダを組み立て、もう一台のパソコンへTCPのSYNパケットを送信する実験を行います。

前提知識

IP (ネットワーク層)

IPアドレスを以て宛先を指定し、機器間の通信を実現する。
信頼性なし。パケットが紛失したり、順序が前後する可能性がある。
ただ送信するのみで事前に接続を確立することはない。

TCP (トランスポート層)

ポート番号を以てアプリケーション間の通信を実現する。
信頼性あり。パケットの再送、順序制御、誤り検出を行う。
データ送信の前に接続を確立する。(TCP 3ウェイハンドシェイク)

実験

送信元PC

ソースをコンパイルし実行する。

test@test-ThinkPad-X280:~/tcpip$ gcc raw_syn.c -o raw_syn
test@test-ThinkPad-X280:~/tcpip$ sudo ./raw_syn 
SYN packet sent

受信PC

IPアドレスを確認する。
tcpdumpを使い受信したパケットを即時で表示する

ubuntu@ubuntu:~$ hostname -I
192.168.68.96
ubuntu@ubuntu:~$ ip link show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00
2: enp3s0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc fq_codel state DOWN mode DEFAULT group default qlen 1000
link/ether 2c:f0:5d:68:df:5b brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
3: wlo1: <BROADCAST,MULTICAST,UP,LOWER_UP> mtu 1500 qdisc noqueue state UP mode DORMANT group default qlen 1000
link/ether a4:b1:c1:a2:9b:a3 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
altname wlp0s20f3
ubuntu@ubuntu:~$ sudo tcpdump -i wlo1 tcp and port 80

実験の風景(想像し易いように)

C

少し長いですがやっていることは単純です。
datagram（IPヘッダ＋TCPヘッダが連続したバッファ）に必要なデータを詰めて宛先のPC(192.168.68.96 80番ポート)へ送信しているだけです。

raw_syn.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/ip.h>   // IPヘッダ用
#include <netinet/tcp.h>  // TCPヘッダ用
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>

// チェックサム計算（IPヘッダとTCPヘッダで使う）
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 + (sum >> 16);
    answer=(short)~sum;

    return(answer);
}

int main() {
    // 送信先IP、送信元IPは適宜書き換える（筆者はhostname -Iで確認した）
    char source_ip[20] = "192.168.68.245";  // 自分のマシンのIPアドレスに変更
    char dest_ip[20] = "192.168.68.96";      // 宛先IPアドレス

    // raw socket作成
    int s = socket (PF_INET,   // IPv4
                   SOCK_RAW,   // RAWにすることでIPヘッダやTCPヘッダを自由に作成・操作可能となる
                   IPPROTO_TCP // TCP指定
                   );
    if(s < 0) {
        perror("Socket error");
        exit(1);
    }

    // IPヘッダ+TCPヘッダを格納するバッファ
    char datagram[4096];

    // バッファを0で埋める
    memset(datagram, 0, 4096);

    // IPヘッダポインタ
    struct iphdr *iph = (struct iphdr *) datagram;

    // TCPヘッダポインタ（IPヘッダの後ろ）
    struct tcphdr *tcph = (struct tcphdr *) (datagram + sizeof(struct iphdr));

    struct sockaddr_in sin;
    sin.sin_family = AF_INET;
    sin.sin_port = htons(80);  // HTTPのポート
    sin.sin_addr.s_addr = inet_addr(dest_ip);


    /*
                誤解し易いので注記
       iph,tcphポインタはdatagramを指しており、iph->(要素)へ値を代入すると
       datagramへ直接値を書き込んでいることになる。
    */
    // IPヘッダ作成
    iph->ihl = 5;  // ヘッダ長(5×4=20バイト) （標準の長さ）
    iph->version = 4;  // IPv4
    iph->tos = 0;      // 今は殆ど使われず0で問題ない模様
    iph->tot_len = htons(sizeof(struct iphdr) + sizeof(struct tcphdr)); // パケット全体の長さ（IPヘッダ＋データ、バイト単位）
    iph->id = htons(54321);
    iph->frag_off = 0;
    iph->ttl = 64; // 生存時間
    iph->protocol = IPPROTO_TCP;  // TCPは6、UDPは17
    iph->check = 0; // 計算前は0
    iph->saddr = inet_addr(source_ip); // 送信元IPアドレス
    iph->daddr = sin.sin_addr.s_addr; // 宛先IPアドレス

    // IPヘッダチェックサム計算
    iph->check = csum((unsigned short *)datagram, iph->ihl<<2);

    // TCPヘッダ作成
    tcph->source = htons(12345); // 適当な送信元ポート番号
    tcph->dest = htons(80);      // 宛先ポート番号
    tcph->seq = htonl(0);
    tcph->ack_seq = 0; // 0（SYN送信時はまだACKなし）
    tcph->doff = 5; // TCPヘッダ長（20バイト）
    tcph->syn = 1;  // SYNフラグセット 1 → SYNパケットとして送る（接続開始の合図）
    tcph->window = htons(5840);
    tcph->check = 0; // 計算前は0
    tcph->urg_ptr = 0; // 0 → 緊急データなし

    // TCPチェックサム計算用の擬似ヘッダを作る構造体
    struct pseudo_header {
        unsigned int source_address;
        unsigned int dest_address;
        unsigned char placeholder;
        unsigned char protocol;
        unsigned short tcp_length;
    };

    // 擬似ヘッダとTCPヘッダを結合したバッファ
    char pseudo_packet[4096];
    struct pseudo_header psh;

    psh.source_address = inet_addr(source_ip);
    psh.dest_address = sin.sin_addr.s_addr;
    psh.placeholder = 0;
    psh.protocol = IPPROTO_TCP;
    psh.tcp_length = htons(sizeof(struct tcphdr));

    // 擬似ヘッダをコピー
    memcpy(pseudo_packet, &psh, sizeof(struct pseudo_header));
    // TCPヘッダを擬似ヘッダの後にコピー
    memcpy(pseudo_packet + sizeof(struct pseudo_header), tcph, sizeof(struct tcphdr));

    tcph->check = csum((unsigned short*) pseudo_packet, sizeof(struct pseudo_header) + sizeof(struct tcphdr));

    // 通常のソケット通信では、IPヘッダはOS（カーネル）が自動で付け加える。
    // Raw Socketで自分でIPヘッダを作る場合は、
    // カーネルに二重でIPヘッダを付けられないように設定をする必要がある。
    // IPPROTO_IP：IP層の設定
    // IP_HDRINCL：1（true）に設定すると、自分でIPヘッダを作成して送ることを意味する
    // oneはただの有効(true)
    // setsockoptのoptvalはvoidポインタなので、値を直接渡せず
    // 値のアドレス（ポインタ）を渡す必要があるというCの関数仕様によるもの
    int one = 1;
    const int *val = &one;
    if (setsockopt (s, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, val, sizeof(one)) < 0) {
        perror("setsockopt() error");
        exit(1);
    }

    // パケット送信
    if (sendto (s, datagram, ntohs(iph->tot_len), 0, (struct sockaddr *) &sin, sizeof(sin)) < 0) {
        perror("sendto failed");
    } else {
        printf ("SYN packet sent\n");
    }

    close(s);
    return 0;
}

動作環境

送信側

受信側