005.TCP--拼接TCP头部IP头部，实现TCP三次握手的第一步(Linux，原始套接字)

一.目的：

自己拼接IP头，TCP头，计算效验和，将生成的报文用原始套接字发送出去。

若使用tcpdump能监听有对方服务器的包回应，则证明TCP报文是正确的！

二.数据结构：

TCP首部结构图：

struct tcphdr结构体定义：

 struct tcphdr  //在#include <netinet/tcp.h>中定义
   {
     u_int16_t source;  //源端口 16位
     u_int16_t dest;    //目的端口 16位
     u_int32_t seq;       //序列号 32位
     u_int32_t ack_seq;   //确认号 32位
 #  if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN  //若当前环境为小端字节序
     u_int16_t res1:;   //“保留部分”的前4位
     u_int16_t doff:;   //数据偏移 4位
     u_int16_t fin:;    //fin  发送端完成任务
     u_int16_t syn:;    //syn  同步序号用来发起一个连接。
     u_int16_t rst:;    //rst  重建连接
     u_int16_t psh:;    //psh  接收方应该尽快将这个报文段交给应用层
     u_int16_t ack:;    //ack  确认序号有效
     u_int16_t urg:;    //urg  紧急指针有效
     u_int16_t res2:;   //“保留部分”的后两位
 #  elif __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
     u_int16_t doff:;
     u_int16_t res1:;
     u_int16_t res2:;
     u_int16_t urg:;
     u_int16_t ack:;
     u_int16_t psh:;
     u_int16_t rst:;
     u_int16_t syn:;
     u_int16_t fin:;
 #  else
 #   error "Adjust your <bits/endian.h> defines"
 #  endif
     u_int16_t window;   //窗口 16位
     u_int16_t check;    //检验和 16位
     u_int16_t urg_ptr;  //紧急指针 16位
 };

struct tcphdr

其中：

1.TCP连接建立的第一步中，需要将SYN=1（SYN的报文段不能携带数据），ACK=0。

2.序列号(seq)的窗口(window)的值(几乎)是任意的

3.注意主机字节序和网络字节序之间的转换(大于1字节的数都需要处理)

三.TCP连接建立过程(3次握手) :

　　如下图画出了TCP的建立连接的过程，假定主机A运行的是TCP客户程序，而B运行TCP服务器程序，最初两端的TCP进程都出于CLOSE(关闭)状态。图中在主机下面的方框分别是TCP进程所处的状态。请注意，A主动打开连接，而B被动打开连接。

 

以下连接过程叫做三次握手：

 

　　B的TCP服务器进程先创建传输控制块TCB，准备接受客户进程的连接请求。然后服务器进程就处于LISTEN(收听)状态，等待客户的连接请求。如有，即做出响应。 

　　

　　1.A的TCP客户进程也是首先创建传输控制模块TCB，然后向B发出连接请求报文段，这时首部中的同步位SYN=1，同时选择一个初始序号seq=x。SYN报文段不能携带数据，但要消耗掉一个序号。这时，TCP客户进程进入SYN-SENT(同步已发送)状态。 

　　

　　2.B收到连接          请求报文段后，如同意建立连接，则向A发送确认。在确认报文段中应把SYN位和ACK位都置1，确认号是ack=x+1，同时也为自己选择一个初始序号seq=y。这个报文段也不能携带数据，但同样要消耗掉一个序号。这时TCP服务器进程进入SYN-RCVD(同步收到)状态。 

　　

　　3.TCP客户进程收到B的确认后，还要向B给出确认。确认报文段的ACK置1，确认号ack=y+1，而自己的序号seq=x+1，ACK报文段可以携带数据，但如果不携带数据则不消耗序号，在这种情况下，下一个数据报文段的序号仍是seq=x+1。这时，TCP连接已经建立，A进入ESTABLISHED(已建立连接)状态。

　　

　　当B收到A确认后，也进入ESTABLISHED(已建立连接)状态，这个过程就是三次握手(three-way handshake)。

                           

　　为什么要有第三次确认? 这主要是为了防止已失效的连接请求报文段突然又传送到了B,因而产生错误.

 

四.代码实现：

 /*
  ============================================================================
  Name        : test.c
  Author      : huh
  Version     :
  Copyright   : ---notice---
  Description : Hello World in C, Ansi-style
  ============================================================================
  */

 #include <sys/types.h>
 #include <sys/socket.h>
 #include <stdio.h>
 #include <netinet/in.h>
 #include <arpa/inet.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include <netinet/ip_icmp.h>
 #include <netinet/udp.h>
 #include <netinet/tcp.h>

 #define MAXLINE 1024*50

 #define LOCAL_IP "192.168.11.104" //本主机IP
 #define LOCAL_PORT 8600           //本主机定义端口
 #define DEST_IP "115.239.211.112"      //要测试的目的ip(此处为百度ip，以后可能发生变化)
 #define DEST_PORT 80                   //要测试的目的端口

 struct udp_front  //tcp(udp)伪首部结构体
 {
     uint32_t srcip;
     uint32_t desip;
     u_int8_t zero;
     u_int8_t protocol;
     u_int16_t len;
 };

 u_int16_t in_chksum(u_int16_t *addr, int len);
 u_int16_t tcp_check(char *sendbuf, int len, const struct udp_front front);
 int make_message(char *sendbuf, int send_buf_len, uint32_t src_ip, u_int16_t src_port, uint32_t des_ip, u_int16_t des_port);

 int main()
 {
     int raw_sockfd;
     int size = *;
     char send_message[MAXLINE];
     struct sockaddr_in server_address;
     //创建原始套接字
     raw_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_UDP);
     //创建套接字地址
     bzero(&server_address,sizeof(server_address));
     server_address.sin_family = AF_INET;
     server_address.sin_addr.s_addr = inet_addr(DEST_IP);
     //设置套接字为随数据包含IP首部(设置这个选项后需要我们手动写入IP头)
     setsockopt(raw_sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &size, sizeof(size));

     bzero(&send_message, sizeof(send_message));
     //拼接完整的TCP数据包(IP头+TCP头+数据)
     int mesg_len = make_message(send_message, MAXLINE, inet_addr(LOCAL_IP), LOCAL_PORT, inet_addr(DEST_IP), DEST_PORT);
     //将IP数据包发送出去
     sendto(raw_sockfd, send_message, mesg_len, , (struct sockaddr *)&server_address, sizeof(server_address));
     close(raw_sockfd);
     return ;
 }

 //拼接IP数据报
 int make_message(char *sendbuf, int send_buf_len, uint32_t src_ip, u_int16_t src_port, uint32_t des_ip, u_int16_t des_port)
 {
     char message[];   //数据在这里并没有用，为空值
     bzero(message, sizeof(message));
     //strcpy(message, "hello，world!");
     struct iphdr *ip;
     ip = (struct iphdr *)sendbuf;
     ip->ihl = sizeof(struct iphdr) >> ; //首部长度
     ip->version = ;   //ip协议版本
     ip->tos = ;   //服务类型字段
     ip->tot_len = ;   //总长度
     ip->id = htons();   //id值
     ip->frag_off = ;
     ip->ttl = ;
     ip->protocol = IPPROTO_TCP;
     ip->check = ;  //内核会算相应的效验和
     ip->saddr = src_ip;
     ip->daddr = des_ip;

     struct udp_front front;
     front.srcip = src_ip;
     front.desip = des_ip;
     front.len = htons( + strlen(message));
     front.protocol = ;
     front.zero = ;

     struct tcphdr *tcp;
     tcp = (struct tcphdr *)(sendbuf + sizeof(struct iphdr));
     bzero(tcp, sizeof(struct tcphdr *));
     tcp->source = htons(src_port);  //源端口
     tcp->dest = htons(des_port);    //目的端口
     tcp->seq = htonl();   //随机生成的数
     tcp->ack_seq = ;  //当ack置0的时候，ack_seq无所谓

     tcp->doff = ;  //数据偏移(TCP头部字节长度/4)
     tcp->res1 = ;  //保留字段(4位)
     tcp->fin = ;       //..用来释放一个连接
     tcp->syn = ;         //..表示这是一个连接请求
     tcp->rst = ;         //..用来表示tcp连接是否出现严重差错
     tcp->psh = ;         //..推送
     tcp->ack = ;         //..表示是一个连接请求
     tcp->urg = ;         //..紧急数据标志
     tcp->res2 = ;  //保留字段(2位)
     tcp->window = htons();  //初始窗口值设置

     tcp->check = ;
     tcp->urg_ptr = ;

     tcp->check = ;   //效验和，效验整个tcp数据报
     strcpy((sendbuf++), message);  //此处message为空

     tcp->check = tcp_check((sendbuf+), +strlen(message), front);

     ip->tot_len = ( +  + strlen(message));   //总长度
     printf("ip->tot_len:%d\n",ip->tot_len);
     ip->check = in_chksum((unsigned short *)sendbuf, );

     return (ip->tot_len);
 }

 //计算tcp(udp)效验和
 unsigned short tcp_check(char *sendbuf, int len, const struct udp_front front)
 {
     char str[MAXLINE];
     bzero(&str, MAXLINE);
     bcopy(&front, str, sizeof(front));
     bcopy(sendbuf, str+sizeof(front), len);
     struct udp_front *ptr;
     ptr = (struct udp_front *)str;
     char *s;
     s = (str+);
     return in_chksum((unsigned short *)str, sizeof(front)+len);
 }

 //效验和算法
 uint16_t in_chksum(uint16_t *addr, int len)
 {
     int nleft = len;
     uint32_t sum = ;
     uint16_t *w = addr;
     uint16_t answer = ;
     //把ICMP报头二进制数据以2字节为单位累加起来
     while (nleft > )
     {
         sum += *w++;
         nleft -= ;
     }
     if (nleft == )
     {
         *(unsigned char *)(&answer) = *(unsigned char *)w;
         sum += answer;
     }
     sum = (sum>>) + (sum&0xffff);
     sum += (sum>>);
     answer = ~sum;
     return answer;
 }

tcpdump监听结果：

[root@huh ~]# tcpdump -nn -vvv tcp and host 192.168.11.104
tcpdump: listening on eth0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes
13:24:10.154351 IP (tos 0x0, ttl 128, id 10000, offset 0, flags [none], proto TCP (6), length 40)
    192.168.11.104.8600 > 115.239.211.112.80: Flags [S], cksum 0x9394 (correct), seq 100000000, win 65535, length 0
13:24:10.201365 IP (tos 0x0, ttl 128, id 18595, offset 0, flags [none], proto TCP (6), length 44)
    115.239.211.112.80 > 192.168.11.104.8600: Flags [S.], cksum 0x5b2f (correct), seq 258283074, ack 100000001, win 64240, options [mss 1460], length 0
13:24:10.201444 IP (tos 0x0, ttl 64, id 0, offset 0, flags [DF], proto TCP (6), length 40)
    192.168.11.104.8600 > 115.239.211.112.80: Flags [R], cksum 0x9391 (correct), seq 100000001, win 0, length 0
^C
3 packets captured
3 packets received by filter
0 packets dropped by kernel

115.239.211.112:80端口的服务确实回应了，证明我们构造的TCP包没有问题。

注：图片来自谢希仁老师的《计算机网络》课件