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;
}

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* 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

プログラミング

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

WinMergeのレポート機能

Kali Linuxのアップデートが遅いときの対処

複数サーバーで効率よくコマンドを実行する方法

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