用C#下的Raw Socket編程實現網路封包監視

用C#下的Raw Socket編程實現網路封包監視作者：未知

談起socket編程，大家也許會想起QQ和IE，沒錯。還有許多網路工具如P2P、NetMeeting等在應用程式層實現的應用程式，也是用socket來實現的。Socket是一個網路編程介面，實現於網路應用程式層，Windows Socket包括了一套系統組件，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平台上的版本是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通訊端，重疊I/O模型、服務品質控制等。

本文向大家介紹Windows Sockets的一些關於用C#實現的原始通訊端(Raw Socket)的編程，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通訊端類型，使用Raw Socket，可把網卡設定成混雜模式，在這種模式下，我們可以收到網路上的IP包，當然包括目的不是原生IP包，通過原始通訊端，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命名空間實現了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版本號碼
  [FieldOffset(1)] public byte    ip_tos;            //8位服務類型TOS
  [FieldOffset(2)] public ushort  ip_totallength; //16位元據包總長度（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位存留時間 TTL
  [FieldOffset(9)] public byte    ip_protocol;    //8位協議(TCP, UDP, ICMP, Etc.)
  [FieldOffset(10)] public ushort ip_checksum; //16位IP首部校正和
  [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，可以用強制類型轉化把包中的資料流轉化為一個個IPHeader對象。
下面就開始寫RawSocket類了，一開始，先定義幾個參數，包括：
  private bool error_occurred;          //通訊端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;       //聲明通訊端
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函數中要用，在下面的建構函式中，實現了對一些變數參數的初始化：

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

下面的函數實現了建立RawSocket，並把它與終結點（IPEndPoint：本機IP和連接埠）綁定：
  public void CreateAndBindSocket(string IP)                  //建立並綁定通訊端
  {
   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)); //綁定通訊端

   if (SetSocketOption()==false) error_occurred=true;
  }
其中，在建立通訊端的一句socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Raw, ProtocolType.IP);中有3個參數：

第一個參數是設定地址族，MSDN上的描述是“指定 Socket 執行個體用來解析地址的定址方案”，當要把通訊端綁定到終結點（IPEndPoint）時，需要使用InterNetwork成員，即採用IP版本4的地址格式，這也是當今大多數通訊端編程所採用一個定址方案（AddressFamily）。

第二個參數設定的通訊端類型就是我們使用的Raw類型了，SocketType是一個列舉資料型別，Raw通訊端類型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通訊協定(Tcp)和使用者資料包通訊協定(Udp)進行通訊，也可以使用網際訊息控制協議 (Icmp) 和 網際網路群組管理通訊協定 (Igmp) 來進行通訊。在發送時，您的應用程式必須提供完整的 IP 標題。所接收的資料報在返回時會保持其 IP 標題和選項不變。

第三個參數設定協議類型，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參數。

在CreateAndBindSocket函數中有一個自訂的SetSocketOption函數，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];
 
    //低層級操作模式,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，設定通訊端選項時必須使通訊端包含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);是函數中最關鍵的一步了，因為，在windows中我們不能用Receive函數來接收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，當發送一個raws socket包的時候（比如syn），核心並不知道，也沒有這個資料被發送或者串連建立的記錄，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數來接收這些資料報。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函數。MSDN解釋它說是設定通訊端為低層級操作模式，怎麼低層級操作法？其實這個函數與API中的WSAIoctl函數很相似。WSAIoctl函數定義如下：

int WSAIoctl(
  SOCKET s,                                                                          //一個指定的通訊端
  DWORD dwIoControlCode,                                                      //控制作業碼
  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常式
);

C#的IOControl函數不像WSAIoctl函數那麼複雜，其中只包括其中的控制作業碼、輸入位元組流、輸出位元組流三個參數，不過這三個參數已經足夠了。我們看到函數中定義了一個位元組數組：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函數中參數lpcbBytesReturned指向的值。
因為設定通訊端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;
   }
  }

下面的函數實現的資料包的接收：

  //解析接收的資料包，形成PacketArrivedEventArgs事件數目據類對象，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)//提取協議類型
    {
     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對象中的其他參數
    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，在上面的函數中，我們使用了指標這種所謂的不安全的程式碼，可見在C#中指標和移位元運算這些原始操作也可以給程式員帶來編程上的便利。在函數中聲明PacketArrivedEventArgs類對象，以便通過OnPacketArrival(e)函數通過事件把資料包資訊傳遞出去。其中PacketArrivedEventArgs類是RawSocket類中的嵌套類，它繼承了系統事件（Event）類，封裝了資料包的IP、連接埠、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數中，我們使用了非同步作業的方法，以下函數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函數返回了一個非同步作業的介面，並在此介面的產生函數BeginReceive中聲明了非同步回呼函數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作業的介面參數的非同步回呼函數不斷地接收資料包：

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

此函數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。
下面通過聲明代理事件控制代碼來實現和外界的通訊：

public delegate void PacketArrivedEventHandler(Object sender, PacketArrivedEventArgs args);
//事件控制代碼：包到達時引發事件
public event PacketArrivedEventHandler PacketArrival;//聲明時間控制代碼函數

這樣就可以實現對資料包資訊的擷取，採用非同步回呼函數，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，最後不要望了關閉通訊端啊：

  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頭擷取了包中的資訊，並通過非同步回呼函數實現了資料包的接收，並使用時間代理控制代碼和自訂的資料包資訊事件類別把資料包資訊發送出去，從而實現了網路資料包的監視，這樣我們就可以在外部添加一些函數對資料包進行分析了。