用C#的Raw Socket實現網路封包監視

iDotNetSpace發表於2009-07-02
C#

用C#的Raw Socket實現網路封包監視

　　談起socket程式設計，大家也許會想起QQ和IE，沒錯。還有許多網路工具如P2P、NetMeeting等在應用層實現的應用程式，也是用socket來實現的。Socket是一個網路程式設計介面，實現於網路應用層，Windows Socket包括了一套系統元件，充分利用了Microsoft Windows 訊息驅動的特點。Socket規範1.1版是在1993年1月發行的，並廣泛用於此後出現的Windows9x作業系統中。Socket規範2.2版（其在Windows平臺上的版本是Winsock2.2，也叫Winsock2）在 1996 年 5 月發行，Windows NT 5.0及以後版本的Windows系統支援Winsock2，在Winsock2中，支援多個傳輸協議的原始套接字，重疊I/O模型、服務質量控制等。

　　本文向大家介紹Windows Sockets的一些關於用C#實現的原始套接字(Raw Socket)的程式設計，以及在此基礎上實現的網路封包監視技術。同Winsock1相比，Winsock2最明顯的就是支援了Raw Socket套接字型別，使用Raw Socket，可把網路卡設定成混雜模式，在這種模式下，我們可以收到網路上的IP包，當然包括目的不是本機的IP包，通過原始套接字，我們也可以更加自如地控制Windows下的多種協議，而且能夠對網路底層的傳輸機制進行控制。

　　在本文例子中，我在nbyte.BasicClass名稱空間實現了RawSocket類，它包含了我們實現資料包監視的核心技術。在實現這個類之前，需要先寫一個IP頭結構，來暫時存放一些有關網路封包的資訊：

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
public struct IPHeader
{
[FieldOffset(0)] public byte ip_verlen; //I4位首部長度+4位IP版本號
[FieldOffset(1)] public byte ip_tos; //8位服務型別TOS
[FieldOffset(2)] public ushort ip_totallength; //16位資料包總長度（位元組）
[FieldOffset(4)] public ushort ip_id; //16位標識
[FieldOffset(6)] public ushort ip_offset; //3位標誌位
[FieldOffset(8)] public byte ip_ttl; //8位生存時間 TTL
[FieldOffset(9)] public byte ip_protocol; //8位協議(TCP, UDP, ICMP, Etc.)
[FieldOffset(10)] public ushort ip_checksum; //16位IP首部校驗和
[FieldOffset(12)] public uint ip_srcaddr; //32位源IP地址
[FieldOffset(16)] public uint ip_destaddr; //32位目的IP地址
}

　　這樣，當每一個封包到達時候，可以用強制型別轉化把包中的資料流轉化為一個個IPHeader物件。

　　下面就開始寫RawSocket類了，一開始，先定義幾個引數，包括：

private bool error_occurred; //套接字在接收包時是否產生錯誤
public bool KeepRunning; //是否繼續進行
private static int len_receive_buf; //得到的資料流的長度
byte [] receive_buf_bytes; //收到的位元組
private Socket socket = null; //宣告套接字

　　 還有一個常量：

const int SIO_RCVALL = unchecked((int)0x98000001);//監聽所有的資料包

　　這裡的SIO_RCVALL是指示RawSocket接收所有的資料包，在以後的IOContrl函式中要用，在下面的建構函式中，實現了對一些變數引數的初始化：

public RawSocket() //建構函式
{
error_occurred=false;
len_receive_buf = 4096;
receive_buf_bytes = new byte[len_receive_buf];
}


　　下面的函式實現了建立RawSocket，並把它與終結點（IPEndPoint：本機IP和埠）繫結：

public void CreateAndBindSocket(string IP) //建立並繫結套接字
{
socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Raw, ProtocolType.IP);
socket.Blocking = false; //置socket非阻塞狀態
socket.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(IP), 0)); //繫結套接字

if (SetSocketOption()==false) error_occurred=true;
}


　　其中，在建立套接字的一句socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Raw, ProtocolType.IP);中有3個引數：

　　第一個引數是設定地址族，MSDN上的描述是“指定 Socket 例項用來解析地址的定址方案”，當要把套接字繫結到終結點（IPEndPoint）時，需要使用InterNetwork成員，即採用IP版本4的地址格式，這也是當今大多數套接字程式設計所採用一個定址方案（AddressFamily）。

　　第二個引數設定的套接字型別就是我們使用的Raw型別了，SocketType是一個列舉資料型別，Raw套接字型別支援對基礎傳輸協議的訪問。通過使用 SocketType.Raw，你不光可以使用傳輸控制協議(Tcp)和使用者資料包協議(Udp)進行通訊，也可以使用網際訊息控制協議 (Icmp) 和 Internet 組管理協議 (Igmp) 來進行通訊。在傳送時，您的應用程式必須提供完整的 IP 標頭。所接收的資料包在返回時會保持其 IP 標頭和選項不變。

　　第三個引數設定協議型別，Socket 類使用 ProtocolType 列舉資料型別向 Windows Socket API 通知所請求的協議。這裡使用的是IP協議，所以要採用ProtocolType.IP引數。


　  在CreateAndBindSocket函式中有一個自定義的SetSocketOption函式，它和Socket類中的SetSocketOption不同，我們在這裡定義的是具有IO控制功能的SetSocketOption，它的定義如下：

private bool SetSocketOption() //設定raw socket
{
bool ret_value = true;
try
{
socket.SetSocketOption(SocketOptionLevel.IP, SocketOptionName.HeaderIncluded, 1);
byte []IN = new byte[4]{1, 0, 0, 0};
byte []OUT = new byte[4]; 

//低階別操作模式,接受所有的資料包，這一步是關鍵，必須把socket設成raw和IP Level才可用SIO_RCVALL
int ret_code = socket.IOControl(SIO_RCVALL, IN, OUT);
ret_code = OUT[0] + OUT[1] + OUT[2] + OUT[3];//把4個8位位元組合成一個32位整數
if(ret_code != 0) ret_value = false;
}
catch(SocketException)
{
ret_value = false;
}
return ret_value;
}

　　其中，設定套接字選項時必須使套接字包含IP包頭，否則無法填充IPHeader結構，也無法獲得資料包資訊。

　　int ret_code = socket.IOControl(SIO_RCVALL, IN, OUT);是函式中最關鍵的一步了，因為，在windows中我們不能用Receive函式來接收raw socket上的資料，這是因為，所有的IP包都是先遞交給系統核心，然後再傳輸到使用者程式，當傳送一個raws socket包的時候（比如syn），核心並不知道，也沒有這個資料被髮送或者連線建立的記錄，因此，當遠端主機回應的時候，系統核心就把這些包都全部丟掉，從而到不了應用程式上。所以，就不能簡單地使用接收函式來接收這些資料包。要達到接收資料的目的，就必須採用嗅探，接收所有通過的資料包，然後進行篩選，留下符合我們需要的。可以通過設定SIO_RCVALL，表示接收所有網路上的資料包。接下來介紹一下IOControl函式。MSDN解釋它說是設定套接字為低階別操作模式，怎麼低階別操作法？其實這個函式與API中的WSAIoctl函式很相似。WSAIoctl函式定義如下：

int WSAIoctl(
SOCKET s, //一個指定的套接字
DWORD dwIoControlCode, //控制操作碼
LPVOID lpvInBuffer, //指向輸入資料流的指標
DWORD cbInBuffer, //輸入資料流的大小（位元組數）
LPVOID lpvOutBuffer, // 指向輸出資料流的指標
DWORD cbOutBuffer, //輸出資料流的大小（位元組數）
LPDWORD lpcbBytesReturned, //指向輸出位元組流數目的實數值
LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, //指向一個WSAOVERLAPPED結構
LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine//指向操作完成時執行的例程
);

　　C#的IOControl函式不像WSAIoctl函式那麼複雜，其中只包括其中的控制操作碼、輸入位元組流、輸出位元組流三個引數，不過這三個引數已經足夠了。我們看到函式中定義了一個位元組陣列：byte []IN = new byte[4]{1, 0, 0, 0}實際上它是一個值為1的DWORD或是Int32，同樣byte []OUT = new byte[4];也是，它整和了一個int,作為WSAIoctl函式中引數lpcbBytesReturned指向的值。

　　因為設定套接字選項時可能會發生錯誤，需要用一個值傳遞錯誤標誌：

public bool ErrorOccurred
{
get
{
return error_occurred;
}
}

　　下面的函式實現的資料包的接收：

//解析接收的資料包，形成PacketArrivedEventArgs事件資料類物件，並引發PacketArrival事件
unsafe private void Receive(byte [] buf, int len)
{
byte temp_protocol=0;
uint temp_version=0;
uint temp_ip_srcaddr=0;
uint temp_ip_destaddr=0;
short temp_srcport=0;
short temp_dstport=0;
IPAddress temp_ip;

PacketArrivedEventArgs e=new PacketArrivedEventArgs();//新網路資料包資訊事件

fixed(byte *fixed_buf = buf)
{
IPHeader * head = (IPHeader *) fixed_buf;//把資料流整和為IPHeader結構
e.HeaderLength=(uint)(head->ip_verlen & 0x0F) << 2;

temp_protocol = head->ip_protocol;
switch(temp_protocol)//提取協議型別
{
case 1: e.Protocol="ICMP"; break;
case 2: e.Protocol="IGMP"; break;
case 6: e.Protocol="TCP"; break;
case 17: e.Protocol="UDP"; break;
default: e.Protocol= "UNKNOWN"; break;
}

temp_version =(uint)(head->ip_verlen & 0xF0) >> 4;//提取IP協議版本
e.IPVersion = temp_version.ToString();

//以下語句提取出了PacketArrivedEventArgs物件中的其他引數
temp_ip_srcaddr = head->ip_srcaddr;
temp_ip_destaddr = head->ip_destaddr;
temp_ip = new IPAddress(temp_ip_srcaddr);
e.OriginationAddress =temp_ip.ToString();
temp_ip = new IPAddress(temp_ip_destaddr);
e.DestinationAddress = temp_ip.ToString();

temp_srcport = *(short *)&fixed_buf[e.HeaderLength];
temp_dstport = *(short *)&fixed_buf[e.HeaderLength+2];
e.OriginationPort=IPAddress.NetworkToHostOrder(temp_srcport).ToString();
e.DestinationPort=IPAddress.NetworkToHostOrder(temp_dstport).ToString();

e.PacketLength =(uint)len;
e.MessageLength =(uint)len - e.HeaderLength;

e.ReceiveBuffer=buf;
//把buf中的IP頭賦給PacketArrivedEventArgs中的IPHeaderBuffer
Array.Copy(buf,0,e.IPHeaderBuffer,0,(int)e.HeaderLength);
//把buf中的包中內容賦給PacketArrivedEventArgs中的MessageBuffer
Array.Copy(buf,(int)e.HeaderLength,e.MessageBuffer,0,(int)e.MessageLength);
}
//引發PacketArrival事件
OnPacketArrival(e);
}

　　大家注意到了，在上面的函式中，我們使用了指標這種所謂的不安全程式碼，可見在C#中指標和移位運算這些原始操作也可以給程式設計師帶來程式設計上的便利。在函式中宣告PacketArrivedEventArgs類物件，以便通過OnPacketArrival(e)函式通過事件把資料包資訊傳遞出去。其中PacketArrivedEventArgs類是RawSocket類中的巢狀類，它繼承了系統事件（Event）類，封裝了資料包的IP、埠、協議等其他資料包頭中包含的資訊。在啟動接收資料包的函式中，我們使用了非同步操作的方法，以下函式開啟了非同步監聽的介面：

public void Run() //開始監聽
{
IAsyncResult ar = socket.BeginReceive(receive_buf_bytes, 0, len_receive_buf, SocketFlags.None, new AsyncCallback(CallReceive), this);
}

　　Socket.BeginReceive函式返回了一個非同步操作的介面，並在此介面的生成函式BeginReceive中宣告瞭非同步回撥函式CallReceive，並把接收到的網路資料流傳給receive_buf_bytes，這樣就可用一個帶有非同步操作的介面引數的非同步回撥函式不斷地接收資料包：

private void CallReceive(IAsyncResult ar)//非同步回撥
{
int received_bytes;
received_bytes = socket.EndReceive(ar); 
Receive(receive_buf_bytes, received_bytes);
if (KeepRunning) Run();
}

　　此函式當掛起或結束非同步讀取後去接收一個新的資料包，這樣能保證讓每一個資料包都能夠被程式探測到。

　　下面通過宣告代理事件控制程式碼來實現和外界的通訊：

public delegate void PacketArrivedEventHandler(Object sender, PacketArrivedEventArgs args);
//事件控制程式碼：包到達時引發事件
public event PacketArrivedEventHandler PacketArrival;//宣告時間控制程式碼函式

　　這樣就可以實現對資料包資訊的獲取，採用非同步回撥函式，可以提高接收資料包的效率，並通過代理事件把封包資訊傳遞到外界。既然能把所有的封包資訊傳遞出去，就可以實現對資料包的分析了：）不過RawSocket的任務還沒有完，最後不要望了關閉套接字啊：

public void Shutdown() //關閉raw socket
{
if(socket != null)
{
socket.Shutdown(SocketShutdown.Both);
socket.Close();
}
}

　　以上介紹了RawSocket類通過構造IP頭獲取了包中的資訊，並通過非同步回撥函式實現了資料包的接收，並使用時間代理控制程式碼和自定義的資料包資訊事件類把資料包資訊傳送出去，從而實現了網路資料包的監視，這樣我們就可以在外部新增一些函式對資料包進行分析了。

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