Go语言玩转原始套接字通信：从入门到飞起
1. 概述：从协议小白到网络老手
想象一下，你就是个网络魔法师，可以操控每一个数据包，直接给它们安排源头、目的地，甚至在中途变个花样。这就是原始套接字的魅力所在！在本教程中，我们将通过Go语言实现一个简单的原始套接字通信系统，玩转数据包的发送和接收。
2. 初识原始套接字
原始套接字是个有趣的家伙。它能让你绕过传输层，直接操控 IP 层，甚至更底层的协议栈。一般来说，这种能力常用于：
- 网络嗅探：捕获并分析网络数据包，进行安全审计。
- 自定义协议：实现自定义的网络协议。
- 网络诊断：直接发送和接收特定的数据包，检测网络状态。
注意：使用原始套接字需要管理员权限，因为它太强大了，容易玩脱。
3. 深入浅出 IP 协议头
3.1 IP 头部结构
每个 IP 数据包的头部包含了各种重要信息，就像寄快递时的包裹单。下面是一个典型的 IPv4 头部结构：
0 1 2 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|Version| IHL |Type of Service| Total Length |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Identification |Flags| Fragment Offset |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Time to Live | Protocol | Header Checksum |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Source Address |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Destination Address |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| Options | Padding |+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+| 字段 | 长度（位） | 描述 |
|---|---|---|
| 版本号 | 4 | 表示 IPv4。 |
| 头部长度 | 4 | 头部长度，单位为 32 位字。 |
| 服务类型 | 8 | 数据包的优先级等。 |
| 总长度 | 16 | 数据包的总长度。 |
| 标识符 | 16 | 数据包的唯一标识。 |
| 标志 | 3 | 分片控制位。 |
| 片偏移 | 13 | 数据分片的偏移量。 |
| TTL | 8 | 数据包生存时间。 |
| 协议 | 8 | 指示上层协议类型。 |
| 校验和 | 16 | 检查 IP 头部错误。 |
| 源 IP 地址 | 32 | 数据包的来源。 |
| 目标 IP 地址 | 32 | 数据包的目的地。 |
3.2 校验和计算
校验和是 IP 头部的一种自我检查机制，用于检测传输中的错误。计算方法很简单：
- 把头部按 16 位为一组分割，逐组相加。
- 如果有进位，加到结果里。
- 对结果取反。
4. 项目结构与实现思路
4.1 客户端
- 构建自定义 IP 头部和数据：客户端首先需要构建一个符合
IP协议格式的自定义IP头部，并将其与要发送的消息内容组合成一个完整的 IP 数据包。这个过程包括构造源 IP 地址、目标 IP 地址以及必要的校验和等字段。 - 发送数据包到服务器：客户端将构建好的数据包通过原始套接字发送到目标服务器。此时，客户端的任务是确保数据包格式符合 IP 协议规范，并能够成功地将数据发送到指定的服务器地址。
- 接收服务器的返回数据：客户端发送数据包后，需要等待服务器的响应。客户端会监听原始套接字，接收从服务器返回的响应数据包，并对接收到的数据包进行解析，提取有效信息，最终将响应内容展示给用户。
4.2 服务器
- 监听原始套接字，接收数据包：服务器使用原始套接字监听网络接口，等待客户端发送的数据包。当服务器接收到数据包时，它会对数据包进行初步的处理和验证，确保数据包符合预期。
- 解析 IP 头部，提取源 IP 和目标 IP：在接收到数据包后，服务器需要解析
IP头部，从中提取源 IP 地址和目标 IP 地址。这一步非常重要，因为服务器需要知道数据包的来源和目标，以便进行后续的处理。 - 把数据再发回客户端：服务器在接收到数据包并解析出相关信息后，会将数据包内容原封不动地返回给客户端。服务器通过原始套接字将数据包发送回客户端，确保客户端可以接收到并处理响应数据。
4.2 目录结构
project/
│
├── client.go # 客户端代码
├── server.go # 服务器端代码
├── rawutil.go # 公共工具代码 (IP头部处理、校验和计算等)
client.go：客户端的核心逻辑，包括构建 IP 头部、发送数据包和接收服务器响应数据。server.go：服务器的核心逻辑，包括监听数据包、解析 IP 头部并响应客户端数据包。rawutil.go：公用工具函数，包括 IP 头部构造、校验和计算、数据包解析等。
5. 代码实现
5.1 代码结构说明
-
rawutil.go: 封装了与 IP 头部相关的功能，包括创建 IP 头部、计算校验和、解析 IP 头部等函数，这些功能在客户端和服务器端都可以重用。 -
server.go: 服务器监听原始套接字，接收数据包，解析 IP 头部，提取源 IP 和目标 IP，并将数据包返回给客户端。 -
client.go: 客户端构建自定义 IP 头部，发送数据包到服务器，并接收服务器的回包。
5.2 测试地址说明
为了方便测试, 这里服务器, 客户端都在同一台电脑上
- 服务器, 绑定本地的
127.0.0.1地址 - 客户端, 绑定本地的
127.0.0.2地址(没错,这个地址也是发送到本地的, 实际上127开头的地址都是发送到本地的)
5.3 server.go - 服务器端实现
package mainimport ("log""syscall""rawutil"
)func main() {// 创建原始套接字，监听所有 IP 数据包sock, err := syscall.Socket(syscall.AF_INET, syscall.SOCK_RAW, syscall.IPPROTO_RAW)if err != nil {log.Fatalf("Error creating raw socket: %v", err)}defer syscall.Close(sock)// 绑定原始套接字到127.0.0.1if err := rawutil.BindToAddress(sock, "127.0.0.1"); err != nil {log.Fatalf("Error binding raw socket: %v", err)}// 缓冲区用来接收数据buffer := make([]byte, 1500)for {// 接收数据包n, from, err := syscall.Recvfrom(sock, buffer, 0)if err != nil {log.Printf("Error reading packet: %v", err)break}log.Printf("Received %d bytes from %v", n, from)// 解析接收到的 IP 头部srcIP, dstIP, err := rawutil.ParseIPHeader(buffer[:n])if err != nil {log.Printf("Error parsing IP header: %v", err)continue}msgRecv := string(buffer[rawutil.IPHeaderLength:])log.Printf("Received packet ip.src: %s ip.dst: %s [%s]", srcIP, dstIP, msgRecv)// 发送数据包log.Printf("Replying to %s", srcIP)err = rawutil.SendRawPacket(sock, dstIP, srcIP, []byte(msgRecv), syscall.IPPROTO_RAW)if err != nil {log.Printf("Error sending packet: %v", err)}}
}5.4 client.go - 客户端实现
package mainimport ("fmt""log""syscall""rawutil"
)func main() {srcIP := "127.0.0.2"dstIP := "127.0.0.1"message := "Hello, world!"// 创建原始套接字sock, err := syscall.Socket(syscall.AF_INET, syscall.SOCK_RAW, syscall.IPPROTO_RAW)if err != nil {fmt.Printf("Error creating raw socket: %v\n", err)return}defer syscall.Close(sock)// 绑定原始套接字到本地地址if err := rawutil.BindToAddress(sock, srcIP); err != nil {log.Fatalf("Error binding raw socket: %v", err)}fmt.Printf("Bind raw socket to %s\n", srcIP)// 发送数据包err = rawutil.SendRawPacket(sock, srcIP, dstIP, []byte(message), syscall.IPPROTO_RAW)if err != nil {log.Fatalf("Error sending raw packet: %v\n", err)}fmt.Printf("Sent message [%s] to %s\n", message, dstIP)// 接收数据包var packet [1500]byten, _, err := syscall.Recvfrom(sock, packet[:], 0)if err != nil {fmt.Printf("Error receiving raw packet: %v\n", err)return}// 解析 IP 头部rcv_srcIP, rcv_dstIP, err := rawutil.ParseIPHeader(packet[:n])if err != nil {fmt.Printf("Error parsing IP header: %v\n", err)return}recv_msg := string(packet[rawutil.IPHeaderLength:])// 打印接收到的消息fmt.Printf("Received message ip.src %s ip.dst %s: [%s]\n", rcv_srcIP, rcv_dstIP, recv_msg)
}5.5 rawutil.go - 公用工具函数
package rawutilimport ("encoding/binary""fmt""net""syscall"
)// 定义 IP 头部结构
const (IPHeaderLength = 20 // IP 头部长度
)// IPHeader 用于构造和解析 IP 头部
type IPHeader struct {VersionIhl uint8 // 版本 + 头部长度TypeOfService uint8 // 服务类型TotalLength uint16 // 总长度Identification uint16 // 标识符FlagsFragOffset uint16 // 标志 + 片偏移TTL uint8 // TTLProtocol uint8 // 协议类型Checksum uint16 // 校验和SrcAddr uint32 // 源 IP 地址DstAddr uint32 // 目标 IP 地址
}// 校验和计算
func checksum(data []byte) uint16 {var sum uint32// 每 2 字节为一个单位进行加和for i := 0; i < len(data); i += 2 {word := uint16(data[i])<<8 + uint16(data[i+1])sum += uint32(word)}// 加上高 16 位和低 16 位的进位for sum>>16 > 0 {sum = (sum & 0xFFFF) + (sum >> 16)}return ^uint16(sum)
}// 解析 IP 头部，提取源 IP 和目标 IP
func ParseIPHeader(packet []byte) (srcIP, dstIP string, err error) {if len(packet) < IPHeaderLength {return "", "", fmt.Errorf("packet too short to be an IP packet")}ipHeader := IPHeader{VersionIhl: packet[0],TypeOfService: packet[1],TotalLength: binary.BigEndian.Uint16(packet[2:4]),Identification: binary.BigEndian.Uint16(packet[4:6]),FlagsFragOffset: binary.BigEndian.Uint16(packet[6:8]),TTL: packet[8],Protocol: packet[9],Checksum: binary.BigEndian.Uint16(packet[10:12]),SrcAddr: binary.BigEndian.Uint32(packet[12:16]),DstAddr: binary.BigEndian.Uint32(packet[16:20]),}// 将二进制地址转换为点分十进制的字符串形式srcIP = fmt.Sprintf("%d.%d.%d.%d", byte(ipHeader.SrcAddr>>24), byte(ipHeader.SrcAddr>>16&0xFF), byte(ipHeader.SrcAddr>>8&0xFF), byte(ipHeader.SrcAddr&0xFF))dstIP = fmt.Sprintf("%d.%d.%d.%d", byte(ipHeader.DstAddr>>24), byte(ipHeader.DstAddr>>16&0xFF), byte(ipHeader.DstAddr>>8&0xFF), byte(ipHeader.DstAddr&0xFF))return srcIP, dstIP, nil
}// 构造 IP 头部
func createIPHeader(srcIP, dstIP string, protocol uint8, msg_len uint16) ([]byte, error) {srcAddr := net.ParseIP(srcIP).To4()if srcAddr == nil {return nil, fmt.Errorf("invalid source IP address")}dstAddr := net.ParseIP(dstIP).To4()if dstAddr == nil {return nil, fmt.Errorf("invalid destination IP address")}// 设置 IP 头部ipHeader := IPHeader{VersionIhl: (4 << 4) | 5, // IPv4 + 头部长度 5TypeOfService: 0,TotalLength: IPHeaderLength + msg_len, // IP 头部 + 数据部分Identification: 0,FlagsFragOffset: 0,TTL: 64,Protocol: protocol,SrcAddr: binary.BigEndian.Uint32(srcAddr),DstAddr: binary.BigEndian.Uint32(dstAddr),}// 构造 IP 头部header := make([]byte, IPHeaderLength)header[0] = ipHeader.VersionIhlheader[1] = ipHeader.TypeOfServicebinary.BigEndian.PutUint16(header[2:4], ipHeader.TotalLength)binary.BigEndian.PutUint16(header[4:6], ipHeader.Identification)binary.BigEndian.PutUint16(header[6:8], ipHeader.FlagsFragOffset)header[8] = ipHeader.TTLheader[9] = ipHeader.Protocolbinary.BigEndian.PutUint16(header[10:12], ipHeader.Checksum)binary.BigEndian.PutUint32(header[12:16], ipHeader.SrcAddr)binary.BigEndian.PutUint32(header[16:20], ipHeader.DstAddr)// 计算校验和checksumValue := checksum(header)binary.BigEndian.PutUint16(header[10:12], checksumValue)return header, nil
}// 发送原始数据包
func SendRawPacket(sock int, srcIP, dstIP string, message []byte, protocol uint8) error {ipHeader, err := createIPHeader(srcIP, dstIP, protocol, uint16(len(message)))if err != nil {return fmt.Errorf("failed to create IP header: %v", err)}// 构造完整的数据包：IP 头部 + 数据packet := append(ipHeader, message...)// 设置目标地址addr := &syscall.SockaddrInet4{}copy(addr.Addr[:], net.ParseIP(dstIP).To4())// 发送数据包err = syscall.Sendto(sock, packet, 0, addr)return err
}// 绑定到指定地址
func BindToAddress(sock int, ip string) error {sa := &syscall.SockaddrInet4{Port: 0, // raw socket 不使用端口，所以设置为0}ipAddr := net.ParseIP(ip)if ipAddr == nil {return fmt.Errorf("failed to Parse IP: %v", ip)}copy(sa.Addr[:], ipAddr.To4())if err := syscall.Bind(sock, sa); err != nil {return fmt.Errorf("failed to bind to address: %v err=%v", sa, err)}return nil
}5.6 运行与测试
-
启动服务器：
sudo go run server.go -
启动客户端：
sudo go run client.go -
观察输出：客户端将发送一个数据包，服务器收到数据包后会返回数据包，客户端会接收到服务器的回应，并打印响应的源和目标 IP 地址。
6. 总结与下一步探索
恭喜你！现在你已经掌握了使用 Go 语言实现原始套接字通信的基本技能。通过本教程，你学会了如何构造和解析 IP 数据包，使用原始套接字发送和接收数据，并实现了一个简易的客户端-服务器通信系统。你已经打下了扎实的网络编程基础，接下来有很多更深层次的知识等待你去探索。
6.1 下一步，你可以尝试：
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构建更复杂的协议：在本教程中，我们主要讨论了 IP 协议，但网络通信不仅仅限于此。你可以尝试设计和实现自己的应用层协议，甚至是自定义的传输协议。通过研究 TCP、UDP 或其他协议栈的实现原理，进一步扩展你的网络编程知识。
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实现数据包嗅探工具：数据包嗅探是网络分析中重要的一环。你可以编写一个简单的数据包嗅探工具，捕获并分析网络上的流量。通过这个项目，你将进一步理解协议栈的工作原理，甚至可能发现一些有趣的网络安全漏洞。
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深入研究网络安全：你已经了解了原始套接字的基础，接下来可以尝试探索更高级的网络安全技术。例如，如何利用网络嗅探技术进行攻击与防御，或者深入了解如何通过操控数据包进行渗透测试。这不仅能提高你的网络安全意识，还能帮助你更好地理解如何保护网络免受潜在威胁。
6.2 动手实验吧，网络魔法师！
理论知识的积累固然重要，但最重要的是通过实践来加深理解。去试试更多的网络编程项目，挑战自己，解决新的问题，甚至和其他网络编程爱好者一起分享你的经验。无论你选择深入哪个领域，记住：网络世界充满了未知与挑战，只有不断探索，才能成为真正的网络专家。
祝你在未来的探索旅程中，始终保持好奇心和创造力！