用C#的Raw Socket实现网络封包监视

　　谈起socket编程，大家也许会想起QQ和IE，没错。还有许多网络工具如P2P、NetMeeting等在应用层实现的应用程序，也是用socket来实现的。Socket是一个网络编程接口，实现于网络应用层，Windows Socket包括了一套系统组件，充分利用了Microsoft Windows 消息驱动的特点。Socket规范1.1版是在1993年1月发行的，并广泛用于此后出现的Windows9x操作系统中。Socket规范2.2版（其在Windows平台上的版本是Winsock2.2，也叫Winsock2）在 1996 年 5 月发行，Windows NT 5.0及以后版本的Windows系统支持Winsock2，在Winsock2中，支持多个传输协议的原始套接字，重叠I/O模型、服务质量控制等。

　　本文向大家介绍Windows Sockets的一些关于用C#实现的原始套接字(Raw Socket)的编程，以及在此基础上实现的网络封包监视技术。同Winsock1相比，Winsock2最明显的就是支持了Raw Socket套接字类型，使用Raw Socket，可把网卡设置成混杂模式，在这种模式下，我们可以收到网络上的IP包，当然包括目的不是本机的IP包，通过原始套接字，我们也可以更加自如地控制Windows下的多种协议，而且能够对网络底层的传输机制进行控制。

　　在本文例子中，我在nbyte.BasicClass命名空间实现了RawSocket类，它包含了我们实现数据包监视的核心技术。在实现这个类之前，需要先写一个IP头结构，来暂时存放一些有关网络封包的信息：

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]public struct IPHeader{[FieldOffset(0)] public byte ip_verlen; //I4位首部长度+4位IP版本号[FieldOffset(1)] public byte ip_tos; //8位服务类型TOS[FieldOffset(2)] public ushort ip_totallength; //16位数据包总长度（字节）[FieldOffset(4)] public ushort ip_id; //16位标识[FieldOffset(6)] public ushort ip_offset; //3位标志位[FieldOffset(8)] public byte ip_ttl; //8位生存时间 TTL[FieldOffset(9)] public byte ip_protocol; //8位协议(TCP, UDP, ICMP, Etc.)[FieldOffset(10)] public ushort ip_checksum; //16位IP首部校验和[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}

　　这样，当每一个封包到达时候，可以用强制类型转化把包中的数据流转化为一个个IPHeader对象。

　　下面就开始写RawSocket类了，一开始，先定义几个参数，包括：

private bool error_occurred; //套接字在接收包时是否产生错误public bool KeepRunning; //是否继续进行private static int len_receive_buf; //得到的数据流的长度byte [] receive_buf_bytes; //收到的字节private Socket socket = null; //声明套接字

　　还有一个常量：

const int SIO_RCVALL = unchecked((int)0x98000001);//监听所有的数据包

　　这里的SIO_RCVALL是指示RawSocket接收所有的数据包，在以后的IOContrl函数中要用，在下面的构造函数中，实现了对一些变量参数的初始化：

public RawSocket() //构造函数{error_occurred=false;len_receive_buf = 4096;receive_buf_bytes = new byte[len_receive_buf];}

　　下面的函数实现了创建RawSocket，并把它与终结点（IPEndPoint：本机IP和端口）绑定：

public void CreateAndBindSocket(string IP) //建立并绑定套接字{socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Raw, ProtocolType.IP);socket.Blocking = false; //置socket非阻塞状态socket.Bind(new IPEndPoint(IPAddress.Parse(IP), 0)); //绑定套接字if (SetSocketOption()==false) error_occurred=true;}

　　其中，在创建套接字的一句socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork, SocketType.Raw, ProtocolType.IP);中有3个参数：

　　第一个参数是设定地址族，MSDN上的描述是指定 Socket 实例用来解析地址的寻址方案，当要把套接字绑定到终结点（IPEndPoint）时，需要使用InterNetwork成员，即采用IP版本4的地址格式，这也是当今大多数套接字编程所采用一个寻址方案（AddressFamily）。

　　第二个参数设置的套接字类型就是我们使用的Raw类型了，SocketType是一个枚举数据类型，Raw套接字类型支持对基础传输协议的访问。通过使用 SocketType.Raw，你不光可以使用传输控制协议(Tcp)和用户数据报协议(Udp)进行通信，也可以使用网际消息控制协议 (Icmp) 和 Internet 组管理协议 (Igmp) 来进行通信。在发送时，您的应用程序必须提供完整的 IP 标头。所接收的数据报在返回时会保持其 IP 标头和选项不变。

　　第三个参数设置协议类型，Socket 类使用 ProtocolType 枚举数据类型向 Windows Socket API 通知所请求的协议。这里使用的是IP协议，所以要采用ProtocolType.IP参数。

　　在CreateAndBindSocket函数中有一个自定义的SetSocketOption函数，它和Socket类中的SetSocketOption不同，我们在这里定义的是具有IO控制功能的SetSocketOption，它的定义如下：

private bool SetSocketOption() //设置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];//低级别操作模式,接受所有的数据包，这一步是关键，必须把socket设成raw和IP Level才可用SIO_RCVALLint ret_code = socket.IOControl(SIO_RCVALL, IN, OUT);ret_code = OUT[0] + OUT[1] + OUT[2] + OUT[3];//把4个8位字节合成一个32位整数if(ret_code != 0) ret_value = false;}catch(SocketException){ret_value = false;}return ret_value;}

　　其中，设置套接字选项时必须使套接字包含IP包头，否则无法填充IPHeader结构，也无法获得数据包信息。

　　int ret_code = socket.IOControl(SIO_RCVALL, IN, OUT);是函数中最关键的一步了，因为，在windows中我们不能用Receive函数来接收raw socket上的数据，这是因为，所有的IP包都是先递交给系统核心，然后再传输到用户程序，当发送一个raws socket包的时候（比如syn），核心并不知道，也没有这个数据被发送或者连接建立的记录，因此，当远端主机回应的时候，系统核心就把这些包都全部丢掉，从而到不了应用程序上。所以，就不能简单地使用接收函数来接收这些数据报。要达到接收数据的目的，就必须采用嗅探，接收所有通过的数据包，然后进行筛选，留下符合我们需要的。可以通过设置SIO_RCVALL，表示接收所有网络上的数据包。接下来介绍一下IOControl函数。MSDN解释它说是设置套接字为低级别操作模式，怎么低级别操作法？其实这个函数与API中的WSAIoctl函数很相似。WSAIoctl函数定义如下：

int WSAIoctl(SOCKET s, //一个指定的套接字DWORD dwIoControlCode, //控制操作码LPVOID lpvInBuffer, //指向输入数据流的指针DWORD cbInBuffer, //输入数据流的大小（字节数）LPVOID lpvOutBuffer, // 指向输出数据流的指针DWORD cbOutBuffer, //输出数据流的大小（字节数）LPDWORD lpcbBytesReturned, //指向输出字节流数目的实数值LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped, //指向一个WSAOVERLAPPED结构LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine//指向操作完成时执行的例程);

　　C#的IOControl函数不像WSAIoctl函数那么复杂，其中只包括其中的控制操作码、输入字节流、输出字节流三个参数，不过这三个参数已经足够了。我们看到函数中定义了一个字节数组：byte []IN = new byte[4]{1, 0, 0, 0}实际上它是一个值为1的DWORD或是Int32，同样byte []OUT = new byte[4];也是，它整和了一个int,作为WSAIoctl函数中参数lpcbBytesReturned指向的值。

　　因为设置套接字选项时可能会发生错误，需要用一个值传递错误标志：

public bool ErrorOccurred{get{return error_occurred;}}

　　下面的函数实现的数据包的接收：

//解析接收的数据包，形成PacketArrivedEventArgs事件数据类对象，并引发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();//新网络数据包信息事件fixed(byte *fixed_buf = buf){IPHeader * head = (IPHeader *) fixed_buf;//把数据流整和为IPHeader结构e.HeaderLength=(uint)(head-ip_verlen & 0x0F)  2;temp_protocol = head-ip_protocol;switch(temp_protocol)//提取协议类型{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协议版本e.IPVersion = temp_version.ToString();//以下语句提取出了PacketArrivedEventArgs对象中的其他参数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头赋给PacketArrivedEventArgs中的IPHeaderBufferArray.Copy(buf,0,e.IPHeaderBuffer,0,(int)e.HeaderLength);//把buf中的包中内容赋给PacketArrivedEventArgs中的MessageBufferArray.Copy(buf,(int)e.HeaderLength,e.MessageBuffer,0,(int)e.MessageLength);}//引发PacketArrival事件OnPacketArrival(e);}