sockets-udp

Сетевой взаимодействие без установки соединения

Протокол UDP

Схема взаимодействия TCP/IP

После создания сокета типа SOCK_STREAM, он должен быть подключен к противоположной стороне с помощью системного вызова connect, либо принять входящее подключение с помощью системного выхова accept.

После этого становится возможным сетевое взаимодействие с использованием операций ввода-вывода.

Сетевое взаимодействие по TCP/IP (создание сокета с параметрами AF_INET и SOCK_STREAM) подразумевает, что ядро операционной системы преобразует непрерывный поток данных в последовательность TCP-сегментов, упакованных в IP-пакеты, и наоборот.

Сокеты UDP

Механизм отправки сообщений по UDP подразумевает передачу данных без предварительной установки соединения. Сокет, ориентированный на отправку UDP-сообщений имеет тип SOCK_DGRAM и используется совместно с адресацией IPv4 (AF_INET) либо IPv6 (AF_INET6).

// Создание сокета для работы по UDP/IP
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

Как и в случае с TCP, для адресация UDP подразумевает, что помимо IP-адреса хоста необходимо определиться с номером порта, который обслуживает отдельный процесс.

Системные вызовы для передачи и приема данных без установки соединения

// Отправить пакет данных
ssize_t sendto(int sockfd,                  // сокет
               const void *buf, size_t len, // данные и размер
               int flags,                   // дополнительные опции
               // адрес назначения (и его размер как для bind/connect)
               const struct sockaddr *dest_addr, socklen_t addrlen);

// Получить пакет данных
ssize_t recvfrom(int sockfd,             // сокет
                 void *buf, size_t len,  // данные и размер
                 int flags,              // дополнительные опции
                 // адрес отправителя (и размер как для accept)
                 const struct sockaddr *src_addr, socklen_t *addrlen);               

Cистемный вызов sendto предназначен для отправки сообщения. Поскольку предварительно соединение не было установлено, то обязательным является указание адреса назначения: IP-адрес хоста и номер порта.

Системный вызов recvfrom предназначен для приема сообщения, и является блокирующим до тех пор, пока придет хотя бы одно сообщение UDP.

Размер буфера, в который recvfrom должен записать данные, должен быть достаточного размера для хранения сообщения, в противном случае данные, которые не влезли в буфер, будут потеряны.

Для того, чтобы иметь возможность принимать данные по UDP, необходимо анонсировать прослушивание определенного порта с помощью системного вызова bind; параметры адреса для recvfrom предназначены только для получения информации об отправителе, и являются опциональными (эти значения могут быть NULL).

Инструменты в Linux для отладки сетевого взаимодействия

Сетевой ввод-вывод

Команда nc (сокращение от netcat) работает аналогично команде cat, но в качестве аргумента принимает не имя файла для вывода потока данных, а пару хост порт. Параметр -u означает отправку UDP-пакета.

Если предполагается использовать только адресацию IPv4, но не IPv6, то используется опция -4.

# Пример: передать данные из in.dat в UDP-сокет на localhost
# порт 3000 и записать вывод в файл out.dat
> cat in.dat | nc -4 -u localhost 3000 >out.dat

Режим Бога

Утилита wireshark позволяют просматривать абсолютно все пакеты на уровне от Ethernet, которые проходят через систему. Для этого требуются права root, либо настройка Linux Capabilities для команды /usr/bin/dumpcap, которая является частью wireshark:

sudo /usr/sbin/setcap cap_net_raw,cap_net_admin+eip /usr/bin/dumpcap

Кроме того, в некоторых дистрибутивах, например Debian/Ubuntu, необходимо, чтобы пользователь входил в группу wireshark.

Поскольку через систему проходит много сетевых пакетов, то для поиска только интересующих пакетов необходимо настроить фильтр.

Python

Стандартная библиотека Python содержит средства работы с сокетами, которые в точности соответствуют их аналогам для POSIX.

Пример отправки UDP-сообщения:

from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM

IP = "127.0.0.1"
PORT = 3000

sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)   # создание UDP-сокета
# Соединение не требуется
sock.sendto("Hello!\n", (IP, PORT))  # отправка сообщения

Прием UDP-сообщений:

from socket import socket, AF_INET, SOCK_DGRAM

IP = "127.0.0.1"
PORT = 3000
MAX_SIZE = 1024

sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)       # создание UDP-сокета
sock.bind((IP, PORT))                    # нужно анонсировать порт  

while True:
    data, addr = sock.recvfrom(MAX_SIZE) # получить сообщение
    print("Got {} from {}", data, addr)

Linux Capabilities

В классических UNIX-системах права процессов на выполнение привилегированных действий разграничиваются только на уровне доступа к файлам, либо на уровне "обычный пользователь" - "администратор". В современных ядрах Linux существует ортогональный механизм для предоставления отдельным программам определенных прав, не связанных с доступом к файлам, который называется capabilities(7).

Отдельному исполняемому файлу можно назначить маску привилегированных разрешений, которые распространяются только на отдельную программу (но не дочерние процессы) с помощью утилиты setcap (требуются права root для запуска).

Формат вызова:

> sudo setcap CAPABILITIES+FLAGS EXECUTABLE_FILE

Здесь CAPABILITIES - одно, либо несколько, разделенных запятыми, полномочий. FLAGS - это комбинация флагов:

• p - (Permitted) - полномочие разрешено для исполняемого файла;
• i - (Inherited) - может наследоваться при вызове exec;
• e - (Effective) - полномочие включено сразу при запуске программы.

При этом, установленные атрибуты capabilities не сохраняются:

• во время модификации файла (например, в результате перекомпиляции);
• при копировании или переименовании файла.

Таким образом, чтобы иметь возможность создавать и отлаживать программу, требующую дополнительные полномочия, необходимо обеспечить вызов setcap на этапе установки или сборки.

Так как capabilities это атрибуты файлов, то для их работы требуется поддержка со стороны файловой системы. В стандартных для linux файловых системах с этим проблем нет, но если файл находится на примонтированном разделе с неподдерживающей capabilities файловой системой, то попытка установки закончится ошибкой Failed to set capabilities on file './executable' (Operation not supported).

Также бывает удобным (для отладки) поставить необходимый набор полномочий на отладчик gdb; для корректной работы это требует дополнительно установки того же набора полномочий на командный интерпретатор bash.

Взаимодействие на уровне сетевого интерфейса

Пакетные сокеты

Система Linux позволяет взаимодействовать с сетевыми устройствами на низком уровне, используя специальный тип сокетов: пакетные сокеты AF_PACKET.

Более подробно работа с сокетами на низком уровне рассмотрена в статье Introduction to RAW Sockets

Для создания таких сокетов требуются либо права root, либо настройка cap_net_raw, в противном случае системный вызов socket вернет значение -1.

При работе с обычными TCP или UDP сокетами, ядро операционной системы полностью абстрагирует пользовательский процесс от дополнительной информации, связанной с доставкой сетевых данных.

При работе с пакетными сокетами необходимо самостоятельно реализовывать обработку требуемых заголовков.

Существует два уровня абстракции для пакетных сокетов: передача данных, которые заворачиваются в стандартный фрейм Ethernet (AF_PACKET, SOCK_DGRAM), там и полностью произвольный поток данных (AF_PACKET, SOCK_RAW), который может быть использован, например, для отправки широковещательных Ethernet-фреймов.

Бинарные заголовки сетевых протоколов

Для работы с заголовками сетевых протоколов средствами языков Си/C++ можно использовать обычные структуры.

Порядок, в котором объявлены поля структуры в тексте программы, является при этом существенным, поскольку он соответствует тому, в каком порядке хранятся данные. Кроме того, необходимо учитывать тот факт, что компиляторы оптимизируют код, выравнивания поля структур в соответствии с особенностями архитектур процессоров, и необходимо явным образом указывать использование "упакованных" структур.

Пример: заголовок Ethernet-кадра может быть представлен следующим образом.

typedef struct {
    /* MAC-адрес получателя, 6 байт */
    uint8_t destination[6];
    /* MAC-адрес отправителя, 6 байт */
    uint8_t source[6];
    /* Тип передаваемого пакета */
    uint16_t type;
} __attribute__((__packed__)) ethernet_header_t;

Кроме того, необходимо помнить о том, что большинство сетевых протоколов подразумевают использование сетевого порядка байт, поэтому нужно использовать функции htons, ntohs, и др., для того, чтобы правильно представлять целочисленные значения.

Адресация без IP-адреса

У каждого сетевого интерфейса есть имя в системе, например eth0 или wlan0, которое можно посмотреть в выводе команды ifconfig, и порядковый номер (индекс). У каждого, даже не настроенного, сетевого интерфейса есть свой аппаратный адрес (MAC-адрес), размер которого обычно 6 байт.

При адресации через семейство протоколов AF_PACKET используется структура sockaddr_ll:

struct sockaddr_ll {
	unsigned short sll_family;   /* Always AF_PACKET */
	unsigned short sll_protocol; /* Physical-layer protocol */
	int            sll_ifindex;  /* Interface number */
	unsigned short sll_hatype;   /* ARP hardware type */
	unsigned char  sll_pkttype;  /* Packet type */
	unsigned char  sll_halen;    /* Length of address */
	unsigned char  sll_addr[8];  /* Physical-layer address */
};

Поле sll_family должно иметь значение AF_PACKET (поскольку необходимо отделять этот тип адресов от других возможных struct sockaddr).

Для отправки низкоуровневых пакетов определенному устройству с использованием протокола Ethernet, когда используется комбинация (AF_PACKET, SOCK_DGRAM), необходимо заполнять поля:

• sll_protocol - значение константы из <linux/if_ether.h>, которая определят тип пакета данных (протокол), который содержится внутри Ethernet-фрейма;
• sll_halen - длина адреса в байтах; для современных реализаций Ethernet это значение равно 6 (константа ETH_ALEN из <linux/if_ether.h>) ;
• sll_ifindex - индекс сетевого устройства; нумерация начинается с 1, специальное значение 0 может быть использовано только для чтения (признак того, что интересуют данные из любого устройства);
• sll_addr - значение MAC-адреса.
• Все остальные поля заполняются драйвером устройства и должны быть инициализированы нулями.

Если используется отправка пакетов без заголовка Ethernet, то есть, используется комбинация (AF_PACKET, SOCK_RAW), то достаточно указать только порядковый индекс сетевого интерфейса sll_ifindex.

Управление устройствами ввода-вывода

Для управления файло-подобными устройствами ввода-вывода используется системный вызов ioctl, сигнатура которого такая же, как для fcntl: первый аргумент - это файловый дескриптор, затем целочисленная команда, а потом возможны аргументы произвольного типа, в зависимости от команды.

Набор команд для работы с сетевыми интерфейсами описан в man 7 netdevice. Многие из них могут быть выполнены только при наличии соответствующих прав (если модифицируют параметры сетевого интерфейса). С помощью GET-команд, отправляемых через системный вызов ioctl, можно выяснить индекс устройства по его имени, связанный с ним MAC-адрес, IP-адрес, если устройство настроено, и т. д.