如何使用 tun/tap 在 Python 中发送原始网络数据包

Posted on 2022-09-07

你好！

最近我一直在做一个项目，我在不使用任何库的情况下在 Python 中实现了一堆计算机网络协议的小型玩具工作版本，作为解释计算机网络如何工作的一种方式。

我仍在努力编写那个项目，但今天我想谈谈如何做第一步：用 Python 发送网络数据包。

在这篇文章中，我们将从一个小型 Python 程序发送一个 SYN 数据包（TCP 连接中的第一个数据包），并从example.com获得回复。这篇文章中的所有代码都在这个 gist中。

什么是网络数据包？

网络数据包是一个字节串。例如，这是 TCP 连接中的第一个数据包：

 b'E\x00\x00,\x00\x01\x00\x00@\x06\x00\xc4\xc0\x00\x02\x02"\xc2\x95Cx\x0c\x00P\xf4p\x98\x8b\x00\x00\x00\x00`\x02\xff\xff\x18\xc6\x00\x00\x02\x04\x05\xb4'

我不会在这篇文章中讨论这个字节串的结构（虽然我会说这个特定的字节串有两部分：前 20 个字节是 IP 地址部分，其余的是 TCP 部分）

关键是要发送网络数据包，我们需要能够发送和接收字节串。

为什么 tun/tap？

在 Linux（或任何操作系统）上编写自己的 TCP 实现的问题是——Linux 内核已经有了 TCP 实现！

因此，如果您在普通网络接口上向 example.com 之类的主机发送 SYN 数据包，将会发生以下情况：

  1. 你向 example.com 发送一个 SYN 数据包
  2. example.com 回复 SYN ACK（到目前为止一切顺利！）
  3. 你机器上的 Linux 内核收到 SYN ACK，认为“wtf??我没有建立这个连接？？”，然后关闭连接
  4. 你很难过。没有适合您的 TCP 连接。

几年前我和一位朋友谈论过这个问题，他说“你应该使用 tun/tap！”。不过，我花了好几个小时才弄清楚如何做到这一点，这就是我写这篇博文的原因:)

tun/tap 给你一个“虚拟网络设备”

我喜欢思考tun/tap的方式是——想象我的网络中有一台小型计算机，它正在发送和接收网络数据包。但它不是一台真正的计算机，它只是我编写的一个 Python 程序。

老实说，这种解释比我想要的还要糟糕。我希望我能准确理解 tun/tap 设备是如何与真正的 Linux 网络堆栈交互的，但不幸的是我不知道，所以“虚拟网络设备”就是你所得到的。希望下面的代码示例将使这一切变得更加清晰。

tun vs tap

名为“tun/tap”的系统允许您创建两种网络接口：

  • “tun”，可让您设置 IP 层数据包
  • “tap”，可让您设置以太网层数据包

我们将使用tun ，因为这就是我可以弄清楚如何开始工作的方法。水龙头也可能起作用。

如何创建一个tun接口

以下是我创建 IP 地址为 192.0.2.2 的 tun 接口的方法。

 sudo ip tuntap add name tun0 mode tun user $USER sudo ip link set tun0 up sudo ip addr add 192.0.2.1 peer 192.0.2.2 dev tun0 sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.0.2.2 -j MASQUERADE sudo iptables -A FORWARD -i tun0 -s 192.0.2.2 -j ACCEPT sudo iptables -A FORWARD -o tun0 -d 192.0.2.2 -j ACCEPT

这些命令做两件事：

  1. 使用 IP 192.0.2.2创建tun设备（并授予您的用户写入权限）
  2. 设置iptables以使用 NAT 将来自该 tun 设备的数据包代理到互联网

iptables 部分非常重要，否则数据包将只存在于我的计算机内部，不会发送到互联网，那会有什么乐趣？

我不打算解释这个ip addr add命令，因为我不明白它，我发现ip非常难以理解，现在我只能在没有完全理解它们的情况下复制和粘贴ip命令。不过它确实有效。

Python中如何连接tun接口

这是一个打开 tun 接口的函数，你可以像openTun('tun0')一样调用它。我通过在scapy源代码中搜索“tun”找到了如何编写它。

 import struct from fcntl import ioctl def openTun(tunName): tun = open("/dev/net/tun", "r+b", buffering=0) LINUX_IFF_TUN = 0x0001 LINUX_IFF_NO_PI = 0x1000 LINUX_TUNSETIFF = 0x400454CA flags = LINUX_IFF_TUN | LINUX_IFF_NO_PI ifs = struct.pack("16sH22s", tunName, flags, b"") ioctl(tun, LINUX_TUNSETIFF, ifs) return tun

这一切都是

  1. 以二进制模式打开/dev/net/tun
  2. 调用ioctl来告诉 Linux 我们想要一个tun设备，而我们想要的设备称为tun0 （或者我们传递给函数的任何tunName ）。

一旦它打开，我们就可以像 Python 中的任何其他文件一样read和write它。

让我们发送一个SYN数据包！

现在我们有了openTun函数，我们可以发送一个 SYN 数据包了！

这是使用openTun函数的 Python 代码的样子。

 syn = b'E\x00\x00,\x00\x01\x00\x00@\x06\x00\xc4\xc0\x00\x02\x02"\xc2\x95Cx\x0c\x00P\xf4p\x98\x8b\x00\x00\x00\x00`\x02\xff\xff\x18\xc6\x00\x00\x02\x04\x05\xb4' tun = openTun(b"tun0") tun.write(syn) reply = tun.read(1024) print(repr(reply))

如果我将其作为sudo python3 syn.py运行，它会打印出来自example.com的回复：

 b'E\x00\x00,\x00\x00@\x00&\x06\xda\xc4"\xc2\x95C\xc0\x00\x02\x02\x00Px\x0cyvL\x84\xf4p\x98\x8c`\x12\xfb\xe0W\xb5\x00\x00\x02\x04\x04\xd8'

显然，这是发送 SYN 数据包的一种非常愚蠢的方式——真正的实现将使用实际代码来生成该字节字符串，而不是对其进行硬编码，并且我们将解析回复而不是仅仅打印出原始字节字符串。但我不想在这篇文章中深入探讨 TCP 的结构，所以这就是我们正在做的事情。

用 tcpdump 查看这些数据包

如果我们在tun0接口上运行 tcpdump，我们可以看到我们发送的数据包和来自example.com的答案：

 $ sudo tcpdump -ni tun0 12:51:01.905933 IP 192.0.2.2.30732 > 34.194.149.67.80: Flags [S], seq 4101019787, win 65535, options [mss 1460], length 0 12:51:01.932178 IP 34.194.149.67.80 > 192.0.2.2.30732: Flags [S.], seq 3300937416, ack 4101019788, win 64480, options [mss 1240], length 0

Flags [S]是我们发送的 SYN， Flags [S.]是响应的 SYN ACK 数据包！我们沟通成功！ Linux 网络堆栈根本没有干扰！

tcpdump 还向我们展示了 NAT 是如何工作的

我们还可以在我的真实网络接口（ wlp3so ，我的无线网卡）上运行tcpdump ，以查看正在发送和接收的数据包。我们将通过-i wlp3s0而不是-i tun0 。

 $ sudo tcpdump -ni wlp3s0 host 34.194.149.67 tcpdump: verbose output suppressed, use -v[v]... for full protocol decode listening on wlp3s0, link-type EN10MB (Ethernet), snapshot length 262144 bytes 12:56:01.204382 IP 192.168.1.181.30732 > 34.194.149.67.80: Flags [S], seq 4101019787, win 65535, options [mss 1460], length 0 12:56:01.228239 IP 34.194.149.67.80 > 192.168.1.181.30732: Flags [S.], seq 144769955, ack 4101019788, win 64480, options [mss 1240], length 0 12:56:05.334427 IP 34.194.149.67.80 > 192.168.1.181.30732: Flags [S.], seq 144769955, ack 4101019788, win 64480, options [mss 1240], length 0 12:56:13.524973 IP 34.194.149.67.80 > 192.168.1.181.30732: Flags [S.], seq 144769955, ack 4101019788, win 64480, options [mss 1240], length 0 12:56:29.705007 IP 34.194.149.67.80 > 192.168.1.181.30732: Flags [S.], seq 144769955, ack 4101019788, win 64480, options [mss 1240], length 0

这里有几点需要注意：

  • IP 地址是不同的——上面的 IPtables 规则已将它们从192.0.2.2重写为192.168.1.181 。这种重写称为“网络地址转换”或“NAT”。
  • 我们从example.com收到了一堆回复——它正在做一个指数退避，它在 4 秒后重试，然后是 8 秒，然后是 16 秒。这是因为我们没有完成 TCP 握手——我们只是发送了一个 SYN 并让它挂起！实际上有一种像这样的 DDOS 攻击，称为 SYN 泛洪，但仅仅发送一个或两个 SYN 数据包并不是什么大问题。
  • 我必须添加host 34.194.149.67因为在我的真实 wifi 连接上发送了很多 TCP 数据包，所以我需要忽略这些

我不完全确定为什么我们在wlp3s0上看到比在tun0上更多的 SYN 回复，我猜这是因为我们在 Python 程序中只阅读了 1 个回复。

这很容易而且非常可靠

上次我尝试在 Python 中实现 TCP 时，我使用了一种叫做“ARP 欺骗”的东西。我不会在这里谈论这个（早在 2013 年这个博客上有一些关于它的帖子），但这种方式更可靠。

并且 ARP 欺骗是在您不拥有的网络上进行的一种粗略的事情。

这是代码

我把这篇博文中的所有代码都放在了这个 gist中，如果你想自己尝试一下，你可以运行

bash setup.sh # needs to run as root, has lots of `sudo` commands python3 syn.py # runs as a regular user

它只适用于 Linux，但我认为也有一种方法可以在 Mac 上设置 tun/tap。

scapy 的插头

我将在这里用一个scapy插件作为结尾：它是一个非常棒的 Python 网络库，无需自己编写所有代码即可进行此类实验。

这篇文章是关于自己编写所有代码的，所以我不会多说。

原文： https://jvns.ca/blog/2022/09/06/send-network-packets-python-tun-tap/