[網路]Socket - 網路程式的大門

我們在寫網路相關的程式時，最底層就是與 socket 交互。socket 是專用於網路通訊的 system call。什麼是 system call 呢？我們知道作業系統有分 kernel 和 user space，從 user space 要進行 I/O 操作需要透過 system call 去呼叫 kernel space，因為只有 kernel space 才有權限進行 I/O 的操作。

在 Linux 中，使用 socket 宣告一個 object 會回傳一個 file descriptor。在 Linux 中，一切都是文件，連 socket object 也不例外，file descriptor 在這裡的作用就是指向那個文件的 descriptor。

下面簡單介紹本專案會用到的 socket 基本 API 的使用，首先開啟 socket 就是宣告了一個 socket 的 object：

sock = Socket(family, type, proto)

• family
  family 指的是某個通訊協定，例如 IPv4、IPv6 等等。如果指定 IPv4 則只對 IPv4 的通訊協定的封包進行處理，例如 AF_PACKET，它能直接從網卡讀取和寫入數據。

• type
  type 則是封包數據的格式，主要有 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM，分別代表 TCP 和 UDP。還有更原始的格式 SOCK_RAW，能自行組裝數據包。由於我們想監聽所有封包，所以會使用 SOCK_RAW。

• proto
  proto 則是 protocol 的意思，通常預設為 0。我們的應用要監聽所有封包，所以設定為 0x0003 來監聽所有 Ethernet 上的封包。

定義好 socket file descriptor 後，下面是 socket object 常用的 API。

• bind((addr, port))
  需監聽和發送的地址和 port，地址若為 0.0.0.0 則代表所有，也能監聽所有網卡。

• recv(1024)
  如果有封包進來，kernel space 會響應這個函數，讓我們的應用程式可以對封包進行處理。若沒有封包，則會被 block 在這裡。函數回傳的是小於等於 1024 長度的 string，看封包大小而定。

• send(packet)
  packet 就是我們做成的封包，在後續的課程會教大家怎麼製作自己的封包，怎麼計算 checksum。socket 會根據封包裡的 MAC address 和 IP address 進行路由。

除了上述這些 API，還有很多其他功能，有興趣的讀者可以深入研究。

範例

最後，我們試著用 socket API 來獲取封包的來源 MAC 地址。首先，我們需要監聽所有封包，所以 family、type 和 proto 分別為 AF_PACKET、SOCK_RAW 和 0x0003，完整如下：

sock = socket.socket(socket.AF_PACKET, socket.SOCK_RAW, socket.ntohs(0x0003))

接下來，我們需要綁定一個 network interface，可以透過指令 ifconfig 來查看：

ifconfig
eth0      Link encap:Ethernet  HWaddr 02:42:ac:11:00:02
          inet addr:172.17.0.2  Bcast:172.17.255.255  Mask:255.255.0.0
          UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1
          RX packets:3496 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:1692 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:0
          RX bytes:4623164 (4.6 MB)  TX bytes:93240 (93.2 KB)

lo        Link encap:Local Loopback
          inet addr:127.0.0.1  Mask:255.0.0.0
          UP LOOPBACK RUNNING  MTU:65536  Metric:1
          RX packets:36 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0
          TX packets:36 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0
          collisions:0 txqueuelen:1000
          RX bytes:1800 (1.8 KB)  TX bytes:1800 (1.8 KB)

在我的環境裡，有 eth0 這個 network interface，所以我決定監聽它：

sock.bind(("eth0", 0))

監聽的方式如下，需要一個無限循環去監測，如果沒有新封包則會被 block 在 sock.recvfrom：

while True:
    packet, _ = sock.recvfrom(65565)

一個封包的來源 MAC 地址會在封包的前六個 bytes，我們需要用到 Python 自帶的 struct library 來解析：

src_mac_header = packet[:6]
struct.unpack('!6s', src_mac_header)

驚嘆號代表的是 bytes 順序是 big endian，6s 代表解包 6 個 char，也能解包 integer 等等，具體代表的意思可以參考這裡。所以解包之後，我們就能取得來源的 MAC 地址，完整的程式碼如下：

import socket, struct

#define ETH_P_ALL    0x0003          /* Every packet (be careful!!!) */
sock = socket.socket(socket.AF_PACKET, socket.SOCK_RAW, socket.ntohs(0x0003))
sock.bind(("eth0",0))

while True:
    packet, _ = sock.recvfrom(65565)
    src_mac_header = packet[:6]
    src_mac = struct.unpack('!6s', src_mac_header)[0]
    mac = map('{:02x}'.format, src_mac)
    print(':'.join(mac))

實驗方式：可以跑這個程式的電腦發送 curl 請求，可以看到在我的環境裡，eth0 的 MAC address 為 02:42:ac:11:00:02，然後我們下指令對自己的電腦產生封包：

#> curl --interface eth0 127.0.0.1

在另外一個 terminal 視窗，就可以看到自己的 MAC address 被 print 出來了！

總結

• Socket 是網路通訊的基礎工具，常用 API 包括 bind、recv 和 send
• 範例程式展示如何監聽封包並取得來源 MAC 地址