パケットジェネレータのつくり方

このページはこんな方におすすめです

自分でパケットを作って送信してみたい
パケットの構造に興味がある

今回はパケットジェネレータのサンプルとしてUDPパケットを送信します。

その際、IPヘッダ−とUDPヘッダーを自ら設定します。

パケットジェネレータの作成はパケットキャプチャと比べて難易度が上がります。パケットキャプチャの場合はネットワークを流れるIPヘッダーやUDPヘッダーを単純に表示させるだけでしたが、パケットジェネレータは自らヘッダーの値を設定しなければなりません。そのためには、ヘッダーの構造だけでなくヘッダー値の意味を理解していなくてはなりません。

今回はパケットジェネレータの作成に必要な知識を羅列し、最後にサンプルコードと実行例を掲載します。サンプルコードのコンパイルと実行はOS X El Capitan‎とCentOS 7でおこなっています。

Contents

パケットジェネレータのつくり方
まとめ

パケットジェネレータのつくり方

パケット送信の流れ

パケットの送信は以下のような流れになります。

Raw Socket（生ソケット）を作成する
IPヘッダーを作成する
UDPヘッダーを作成する
送信する

Raw Socket（生ソケット）を作成する

IPデータグラムを送信するためにRaw Socket（生ソケット）を作成する必要があります。

今回はUDPパケットを作成して送信しますが、IPヘッダーも含めるため通常のソケットでは実現することができません。

IPヘッダーを含めて送信するためにはRaw Socket（生ソケット）が必要です。

Raw Socketを使うにはセキュリティの関係上、ルート権限が必要になります。

ソケットオプションについて

今回はIPヘッダーを送信パケットに含める必要があるため、ソケットオプション（IP_HDRINCL）を設定しています。

Linuxはこのオプションを設定しなくてもIPヘッダーを含めてパケットを送信できます。

BSD（Mac OS X）はソケットオプションが必須です。

IPヘッダー作成のポイント

IPヘッダーを作成する上で重要な点は「ip_len」「ip_off」の取り扱いです。

IPヘッダーを作成するときのバイトオーダーについて明記されたドキュメントがないのですが、LinuxはすべてのIPヘッダー値をネットワークバイトオーダーで設定する必要があるのに対して、BSD（Mac OS X）はip_lenとip_offをホストバイトオーダーで設定し、それ以外はネットワークバイトオーダーで設定する必要があります（UNIXネットワークプログラミング第2版 Vol.1 p.635「25.3 rawソケットからの出力」）。

ただし、Linuxはip_lenを設定しても無視し、sendto(2)で引数にとる送信サイズをip_lenへ自動的に設定します。そのため、今回のサンプルではip_lenとip_offは両方ともホストバイトオーダーで設定しています。

補足情報として、NmapはLinuxとBSDのバイトオーダー設定方法の差異を吸収するBSDFIX/BSDUFIXというマクロを使用していましたが、3.90からこのマクロを削除しています（Nmap Change Log）。

また、チェックサムを計算して設定していますが、IPヘッダーのチェックサムはOSがパケット送信時に設定しますので、適当な値（123など）を設定しても問題なく送信できます。

Linuxはすべてネットワークバイトオーダー
BSDは ip_len と ip_off をホストバイトオーダー、その他はネットワークバイトオーダー
IPヘッダーのチェックサムはOSが計算する

UDPヘッダー作成のポイント

UDPヘッダーの作成で注意するのはチェックサムの計算です。

UDPはチェックサムを0にしても良いのですが、チェックサム計算の方法を理解するためにも、自分で計算してみましょう。

疑似ヘッダー

UDPのチェックサム計算には疑似ヘッダーというものを使います。

 0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|          source address           |
+--------+--------+--------+--------+
|        destination address        |
+--------+--------+--------+--------+
|  zero  |protocol|   UDP length    |
+--------+--------+--------+--------+

0 7 8 15 16 23 24 31

+--------+--------+--------+--------+

| source address |

+--------+--------+--------+--------+

| destination address |

+--------+--------+--------+--------+

| zero |protocol| UDP length |

+--------+--------+--------+--------+

疑似ヘッダーの末尾に、送信するUDPヘッダーとデータを付加します。そして疑似ヘッダーとUDPヘッダー、データを含めてチェックサムの計算をおこないます。つまり、次のようなデータ構造を用意してチェックサムの計算をおこないます。

 0      7 8     15 16    23 24    31
+--------+--------+--------+--------+
|          source address           |
+--------+--------+--------+--------+
|        destination address        |
+--------+--------+--------+--------+
|  zero  |protocol|   UDP length    |
+--------+--------+--------+--------+ 
|     Source      |   Destination   | 
|      Port       |      Port       | 
+--------+--------+--------+--------+ 
|                 |                 | 
|     Length      |    Checksum     | 
+--------+--------+--------+--------+ 
|                                     
|          data octets ...            
+---------------- ...

0 7 8 15 16 23 24 31

+--------+--------+--------+--------+

| source address |

+--------+--------+--------+--------+

| destination address |

+--------+--------+--------+--------+

| zero |protocol| UDP length |

+--------+--------+--------+--------+

| Source | Destination |

| Port | Port |

+--------+--------+--------+--------+

| | |

| Length | Checksum |

+--------+--------+--------+--------+

| data octets ...

+---------------- ...

チェックサムの計算に必要な関数は、BSDのping.cを流用します。

パケットの送信方法

パケットの送信にはsendto(2)を使用します。

BSD（Mac OS X）はLinuxと違って厳密なため、IPヘッダーで設定したip_lenの値とsendto(2)へ渡す送信サイズに差異があるとエラーになりますから注意してください。

では、次のセクションでサンプルコードと実行例を掲載します。

サンプルコードと実行例

サンプルコード

UDPはヘッダー構造が単純ですが、それでもコード行数はキャプチャに比べてかなり増えています。なお、コードを単純にする目的でIPヘッダーやUDPヘッダー値の大半をハードコーディングしています。慣れてきたら引数でヘッダー値を設定できるようにすると、本格的なパケットジェネレータとなってくるはずです。

サンプルコードはGitHubからも落とせます。

≫サンプルコード

/*
 * udp-gen.c
 * UDPパケット送信サンプルコード
 * by shj@netwiz.jp
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#ifndef __FAVOR_BSD
# define __FAVOR_BSD
#endif
#include <netinet/udp.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <err.h>

/* チェックサム計算用UDP疑似ヘッダー */
struct pseudo_hdr {
    struct in_addr src;
    struct in_addr dst;
    unsigned char zero;
    unsigned char proto;
    unsigned short len;
};


static void
usage(char *prog)
{

    fprintf(stderr, "Usage: %s <src ip> <dst ip> <port> <string>\n", prog);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

/*
 * チェックサム計算コード
 * ping.cから流用
 */
static unsigned short
in_cksum(unsigned short *addr, int len)
{
  int nleft, sum;
  unsigned short *w;
  union {
    unsigned short us;
    unsigned char  uc[2];
  } last;
  unsigned short answer;

  nleft = len;
  sum = 0;
  w = addr;

  /*
   * Our algorithm is simple, using a 32 bit accumulator (sum), we add
   * sequential 16 bit words to it, and at the end, fold back all the
   * carry bits from the top 16 bits into the lower 16 bits.
   */
  while (nleft > 1)  {
    sum += *w++;
    nleft -= 2;
  }

  /* mop up an odd byte, if necessary */
  if (nleft == 1) {
    last.uc[0] = *(unsigned char *)w;
    last.uc[1] = 0;
    sum += last.us;
  }

  /* add back carry outs from top 16 bits to low 16 bits */
  sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);     /* add hi 16 to low 16 */
  sum += (sum >> 16);                     /* add carry */
  answer = ~sum;                          /* truncate to 16 bits */
  return(answer);
}

static void
build_udp(char *p, struct in_addr *src, struct in_addr *dst, unsigned short dport, char *data)
{
    char *ubuf;
    struct ip *ip;
    struct udphdr *udp;
    struct pseudo_hdr *pse;
    int needlen;

    /* チェックサム計算用にUDPヘッダーとデータ、疑似ヘッダの合計サイズを計算する */
    needlen = sizeof(struct pseudo_hdr) + sizeof(struct udphdr) + strlen(data);
    if ((ubuf = malloc(needlen)) == NULL)
        errx(1, "malloc");
    memset(ubuf, 0, needlen);

    pse = (struct pseudo_hdr *)ubuf;
    pse->src.s_addr = src->s_addr;
    pse->dst.s_addr = dst->s_addr;
    pse->proto = IPPROTO_UDP;
    pse->len = htons(sizeof(struct udphdr) + strlen(data));

    udp = (struct udphdr *)(ubuf + sizeof(struct pseudo_hdr));
    udp->uh_sport = htons(65001);
    udp->uh_dport = htons(dport);
    udp->uh_ulen = pse->len;
    udp->uh_sum = 0;
    /* データ部分の書き込み */
    memcpy((char *)udp + sizeof(struct udphdr), data, strlen(data));
    /* チェックサム計算 */
    udp->uh_sum = in_cksum((unsigned short *)ubuf, needlen);

    /* UDPヘッダーとデータ部分をIPヘッダーの後ろへ書き込む */
    ip = (struct ip *)p;
    memcpy(p + (ip->ip_hl << 2), udp, needlen - sizeof(struct pseudo_hdr));

    free(ubuf);
}

static void
build_ip(char *p, struct in_addr *src, struct in_addr *dst, size_t len)
{
    struct ip *ip;

    ip = (struct ip *)p;
    ip->ip_v = 4;                /* もちろんIPv4 */
    ip->ip_hl = 5;               /* IPオプションは使わないので5に決め打ち */
    ip->ip_tos = 1;              /* TOSが設定されることを確認するため1に設定 */
    ip->ip_len = len;            /* 今回送信する全パケット長 */
    ip->ip_id = htons(getpid()); /* IDは何でもいいので、今回はプロセスIDとする */
    ip->ip_off = 0;              /* フラグメント化させない */
    ip->ip_ttl = 0x40;           /* TTL */
    ip->ip_p = IPPROTO_UDP;      /* UDPなので */
    ip->ip_src = *src;           /* 送信元IPアドレス */
    ip->ip_dst = *dst;           /* 送信先IPアドレス */

    /* チェックサム計算 */
    ip->ip_sum = 0;
    ip->ip_sum = in_cksum((unsigned short*)ip, ip->ip_hl << 2);
}

int
main(int argc, char *argv[])
{
    int sd;
    int on = 1;
    char *data;
    char *buf;
    struct in_addr src, dst;
    struct sockaddr_in to;
    socklen_t tolen = sizeof(struct sockaddr_in);
    size_t packetsiz;
    unsigned short dport;

    if (argc != 5)
        usage(argv[0]);

    dport = atoi(argv[3]);
    data = argv[4];

    packetsiz = sizeof(struct ip) + sizeof(struct udphdr) + strlen(data);
    if ((buf = malloc(packetsiz)) == NULL)
        errx(1, "malloc");

    /* RAWソケット */
    if ((sd = socket(PF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)) < 0)
        errx(1, "socket");
    /* 送信パケットにIPヘッダーを含めるためのソケットオプション */
    if (setsockopt(sd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &on, sizeof(on)) < 0)
        errx(1, "setsockopt");

    src.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    dst.s_addr = inet_addr(argv[2]);

    build_ip(buf, &src, &dst, packetsiz);
    build_udp(buf, &src, &dst, dport, data);

    memset(&to, 0, sizeof(struct sockaddr_in));
    to.sin_addr = dst;
    to.sin_port = htons(dport);
    to.sin_family = AF_INET;

    printf("Sending to %s from %s\n", argv[2], argv[1]);
    if (sendto(sd, buf, packetsiz, 0, (struct sockaddr *)&to, tolen) < 0) {
        perror("sendto");
    }

    close(sd);
    free(buf);

    return 0;
}

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158

159

160

161

162

163

164

165

166

167

168

169

170

171

172

173

174

175

176

177

178

179

180

181

182

183

184

185

186

187

188

189

190

191

192

193

* udp-gen.c

* UDPパケット送信サンプルコード

* by shj@netwiz.jp

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <string.h>

#include <arpa/inet.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#ifndef __FAVOR_BSD

# define __FAVOR_BSD

#endif

#include <netinet/udp.h>

#include <netinet/ip.h>

#include <err.h>

/* チェックサム計算用UDP疑似ヘッダー */

struct pseudo_hdr {

struct in_addr src;

struct in_addr dst;

unsigned char zero;

unsigned char proto;

unsigned short len;

};

static void

usage(char *prog)

{

fprintf(stderr, "Usage: %s <src ip> <dst ip> <port> <string>\n", prog);

exit(EXIT_FAILURE);

}

* チェックサム計算コード

* ping.cから流用

static unsigned short

in_cksum(unsigned short *addr, int len)

{

int nleft, sum;

unsigned short *w;

union {

unsigned short us;

unsigned char uc[2];

} last;

unsigned short answer;

nleft = len;

sum = 0;

w = addr;

* Our algorithm is simple, using a 32 bit accumulator (sum), we add

* sequential 16 bit words to it, and at the end, fold back all the

* carry bits from the top 16 bits into the lower 16 bits.

while (nleft > 1) {

sum += *w++;

nleft -= 2;

}

/* mop up an odd byte, if necessary */

if (nleft == 1) {

last.uc[0] = *(unsigned char *)w;

last.uc[1] = 0;

sum += last.us;

}

/* add back carry outs from top 16 bits to low 16 bits */

sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff); /* add hi 16 to low 16 */

sum += (sum >> 16); /* add carry */

answer = ~sum; /* truncate to 16 bits */

return(answer);

}

static void

build_udp(char *p, struct in_addr *src, struct in_addr *dst, unsigned short dport, char *data)

{

char *ubuf;

struct ip *ip;

struct udphdr *udp;

struct pseudo_hdr *pse;

int needlen;

/* チェックサム計算用にUDPヘッダーとデータ、疑似ヘッダの合計サイズを計算する */

needlen = sizeof(struct pseudo_hdr) + sizeof(struct udphdr) + strlen(data);

if ((ubuf = malloc(needlen)) == NULL)

errx(1, "malloc");

memset(ubuf, 0, needlen);

pse = (struct pseudo_hdr *)ubuf;

pse->src.s_addr = src->s_addr;

pse->dst.s_addr = dst->s_addr;

pse->proto = IPPROTO_UDP;

pse->len = htons(sizeof(struct udphdr) + strlen(data));

udp = (struct udphdr *)(ubuf + sizeof(struct pseudo_hdr));

udp->uh_sport = htons(65001);

udp->uh_dport = htons(dport);

udp->uh_ulen = pse->len;

udp->uh_sum = 0;

/* データ部分の書き込み */

memcpy((char *)udp + sizeof(struct udphdr), data, strlen(data));

/* チェックサム計算 */

udp->uh_sum = in_cksum((unsigned short *)ubuf, needlen);

/* UDPヘッダーとデータ部分をIPヘッダーの後ろへ書き込む */

ip = (struct ip *)p;

memcpy(p + (ip->ip_hl << 2), udp, needlen - sizeof(struct pseudo_hdr));

free(ubuf);

}

static void

build_ip(char *p, struct in_addr *src, struct in_addr *dst, size_t len)

{

struct ip *ip;

ip = (struct ip *)p;

ip->ip_v = 4; /* もちろんIPv4 */

ip->ip_hl = 5; /* IPオプションは使わないので5に決め打ち */

ip->ip_tos = 1; /* TOSが設定されることを確認するため1に設定 */

ip->ip_len = len; /* 今回送信する全パケット長 */

ip->ip_id = htons(getpid()); /* IDは何でもいいので、今回はプロセスIDとする */

ip->ip_off = 0; /* フラグメント化させない */

ip->ip_ttl = 0x40; /* TTL */

ip->ip_p = IPPROTO_UDP; /* UDPなので */

ip->ip_src = *src; /* 送信元IPアドレス */

ip->ip_dst = *dst; /* 送信先IPアドレス */

/* チェックサム計算 */

ip->ip_sum = 0;

ip->ip_sum = in_cksum((unsigned short*)ip, ip->ip_hl << 2);

}

int

main(int argc, char *argv[])

{

int sd;

int on = 1;

char *data;

char *buf;

struct in_addr src, dst;

struct sockaddr_in to;

socklen_t tolen = sizeof(struct sockaddr_in);

size_t packetsiz;

unsigned short dport;

if (argc != 5)

usage(argv[0]);

dport = atoi(argv[3]);

data = argv[4];

packetsiz = sizeof(struct ip) + sizeof(struct udphdr) + strlen(data);

if ((buf = malloc(packetsiz)) == NULL)

errx(1, "malloc");

/* RAWソケット */

if ((sd = socket(PF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW)) < 0)

errx(1, "socket");

/* 送信パケットにIPヘッダーを含めるためのソケットオプション */

if (setsockopt(sd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &on, sizeof(on)) < 0)

errx(1, "setsockopt");

src.s_addr = inet_addr(argv[1]);

dst.s_addr = inet_addr(argv[2]);

build_ip(buf, &src, &dst, packetsiz);

build_udp(buf, &src, &dst, dport, data);

memset(&to, 0, sizeof(struct sockaddr_in));

to.sin_addr = dst;

to.sin_port = htons(dport);

to.sin_family = AF_INET;

printf("Sending to %s from %s\n", argv[2], argv[1]);

if (sendto(sd, buf, packetsiz, 0, (struct sockaddr *)&to, tolen) < 0) {

perror("sendto");

}

close(sd);

free(buf);

return 0;

}

実行例

実行するためには「送信元IPアドレス」「送信先IPアドレス」「送信先UDPポート番号」「データ文字列」の4つを引数に設定します。

プログラムの実行はMacでおこないました。ルート権限が必要であることに注意してください。

$ cc packet_gen_udp.c
$ sudo ./a.out 1.2.3.4 192.168.2.6 12345 DEADBEEF
Password:
Sending to 192.168.2.6 from 1.2.3.4
$

$ cc packet_gen_udp.c

$ sudo ./a.out 1.2.3.4 192.168.2.6 12345 DEADBEEF

Password:

Sending to 192.168.2.6 from 1.2.3.4

パケットの送信先である192.168.2.6はリモートのCentOS 7なので、CentOS 7でtcpdumpの結果を確認します。

# tcpdump -i wlp2s0 -vvv -nn -X udp and port 12345
tcpdump: listening on wlp2s0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes
20:27:48.815355 IP (tos 0x1,ECT(1), ttl 64, id 59995, offset 0, flags [none], proto UDP (17), length 36)
    1.2.3.4.65001 > 192.168.2.6.12345: [udp sum ok] UDP, length 8
    0x0000:  4501 0024 ea5b 0000 4011 c9b8 0102 0304  E..$.[..@.......
    0x0010:  c0a8 0206 fde9 3039 0010 fde1 4445 4144  ......09....DEAD
    0x0020:  4245 4546                                BEEF
^C
1 packet captured
1 packet received by filter
0 packets dropped by kernel
#

# tcpdump -i wlp2s0 -vvv -nn -X udp and port 12345

tcpdump: listening on wlp2s0, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 65535 bytes

20:27:48.815355 IP (tos 0x1,ECT(1), ttl 64, id 59995, offset 0, flags [none], proto UDP (17), length 36)

1.2.3.4.65001 > 192.168.2.6.12345: [udp sum ok] UDP, length 8

0x0000: 4501 0024 ea5b 0000 4011 c9b8 0102 0304 E..$.[..@.......

0x0010: c0a8 0206 fde9 3039 0010 fde1 4445 4144 ......09....DEAD

0x0020: 4245 4546 BEEF

1 packet captured

1 packet received by filter

0 packets dropped by kernel

IPヘッダーが正しく設定できていることを確認するために、念のためTOSを1に設定しました。

ご覧のとおりtcpdumpの結果からTOSが1になっていることが判ります。また、送信元IPアドレスも1.2.3.4となっています。

まとめ

パケットジェネレータの作成はパケットキャプチャに比べると難易度は高いですが、UDPパケットの送信ならばさほど難しくないと思います。

TCPはヘッダー構造が異なるだけでやる事は同じですから、応用してTCPにも挑戦してみてください。

更にイーサネットヘッダーまで送信できるようになると、LAN内であらゆる事ができるようになります。イーサネットヘッダーの送信については、また別の機会に書きたいと思います。

最後にチェックポイントをまとめておきます。

LinuxとBSD(Mac)の仕様の違いに注意する
ソケットオプションを忘れない
バイトオーダーについて注意する

tcp/ip パケット

パケットジェネレータのつくり方

パケットジェネレータのつくり方

パケット送信の流れ

Raw Socket（生ソケット）を作成する

ソケットオプションについて

IPヘッダー作成のポイント

UDPヘッダー作成のポイント

疑似ヘッダー

パケットの送信方法

サンプルコードと実行例

サンプルコード

実行例

まとめ

COMMENT コメントをキャンセル

LinuxでUSBシリアルケーブルを使う

リセットパケットを投げたのは誰だ？

WinMergeのレポート機能

CheckPoint FWのポリシー情報を取得する

「VMware Workstation14 : Not enough physical memory …」が出たら

VBSでIEをアクティブ化（最前面表示）する

インフラエンジニアのためのパケット解析入門

BIGIP – tmshコマンド対応表

ARPスプーフィング攻撃の検知と防御

Tails LinuxをUSBメモリーにインストールする

パケットジェネレータのつくり方

パケット送信の流れ

Raw Socket（生ソケット）を作成する

ソケットオプションについて

IPヘッダー作成のポイント

UDPヘッダー作成のポイント

疑似ヘッダー

パケットの送信方法

サンプルコードと実行例

サンプルコード

実行例

まとめ

VBSでIEをアクティブ化（最前面表示）する

パケットキャプチャツールのつくり方 〜UDPヘッダー解析〜

パケットキャプチャツールのつくり方 〜IPヘッダー解析〜

COMMENT コメントをキャンセル

LinuxでUSBシリアルケーブルを使う

リセットパケットを投げたのは誰だ？

WinMergeのレポート機能

CheckPoint FWのポリシー情報を取得する

「VMware Workstation14 : Not enough physical memory …」が出たら

VBSでIEをアクティブ化（最前面表示）する

インフラエンジニアのためのパケット解析入門

BIGIP – tmshコマンド対応表

ARPスプーフィング攻撃の検知と防御

Tails LinuxをUSBメモリーにインストールする

パケットキャプチャツールのつくり方〜UDPヘッダー解析〜

パケットキャプチャツールのつくり方〜IPヘッダー解析〜