【openwrt学习笔记】IPV6 ND协议学习和socket编程

本文主要是介绍【openwrt学习笔记】IPV6 ND协议学习和socket编程，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、参考链接

IPv6知识 - ND协议【一文通透】
IPV6 ND协议–源码解析【根源分析】
Raw Socket 接收和发送数据包

二、学习目标

（1）使用socket进行网络编程，创建并接受icmpv6中的NS和NA报文；
（2）要解析出NS中的DAD报文和NA报文，需要保存其源mac地址和和请求ipv6地址，在路由器中可用于存储设备的mac地址
（说明：本笔记主要是实现从DAD报文中解析出源mac地址和和请求ipv6地址，原来的程序实现只是过滤NA报文，然后解析数据，但是经常会出现无法及时解析出设备ipv6地址，甚至长时间获取不到的情况，这里增加DAD检测，一开始就保存设备的所有ipv6地址，后续如果更新在将不使用的ipv6地址老化掉。）
（3）socket网络编程实战，之前没怎么实操过，这一次正好复习巩固。

三、代码解析

3.1 仅解析NA报文保存设备mac和ipv6地址信息

3.1.1 open_ns_socket

int open_ns_socket(int idx) {struct icmp6_filter filt;  // ICMPv6消息过滤器int val = 0;               // 用于设置套接字选项的临时变量int sock = -1;             // 套接字描述符初始化为-1int ret = -1;              // 存储返回值的变量int buffersize = 100 * 1024;  // 接收缓冲区大小char *ifname = brname[idx];  // 网络接口名称// 创建用于ICMPv6通信的原始套接字sock = socket(AF_INET6, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMPV6);if (sock < 0) {return -1;  // 若套接字创建失败，直接返回-1}// 设置ICMPv6过滤器，阻止所有ICMPv6消息并仅允许邻居通告消息通过ICMP6_FILTER_SETBLOCKALL(&filt);ICMP6_FILTER_SETPASS(ND_NEIGHBOR_ADVERT, &filt);ret = setsockopt(sock, IPPROTO_ICMPV6, ICMP6_FILTER, &filt, sizeof(filt));if (ret < 0) {close(sock);  // 若设置失败，关闭套接字并返回-1return -1;}// 设置套接字接收缓冲区的大小ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &buffersize, sizeof(buffersize));if (ret < 0) {close(sock);  // 若设置失败，关闭套接字并返回-1return -1;}// 启用对特定IPv6多播消息的监听val = 1;ret = setsockopt(sock, IPPROTO_IPV6, IPV6_MDMAC, &val, sizeof(val));if (ret < 0) {close(sock);  // 若设置失败，关闭套接字并返回-1return -1;}// 绑定套接字到具体网络接口ret=setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_BINDTODEVICE, ifname, strlen(ifname));if (ret < 0) //Dana{close(sock);return -1;}return sock;
}

3.1.2 recv_ns_pack

int recv_ns_pack(int sock) {uint8_t buf[1024], cmsg_buf[64];  // 分别用于存储接收数据和控制消息的缓冲区struct cmsghdr *ch = NULL;  // 指向cmsghdr结构的指针ssize_t len = -1;  // 接收到的数据长度uint8 mac[ETH_ALEN];  // 用于存储MAC地址的数组struct sockaddr_in6 from;  // 存储源IPv6地址的结构struct iovec iov = {buf, sizeof(buf)};  // iov结构，指向数据缓冲区struct msghdr msg = {.msg_name = (void *) &from,  // 指向存放源地址的结构体.msg_namelen = sizeof(from),  // 地址结构体的长度.msg_iov = &iov,  // 指向iovec结构数组的指针.msg_iovlen = 1,  // iovec结构数组的长度.msg_control = cmsg_buf,  // 指向辅助数据的缓冲区.msg_controllen = sizeof(cmsg_buf),  // 辅助数据缓冲区的长度.msg_flags = 0  // 接收消息的标志位（未设置）};// 使用recvmsg非阻塞地接收数据len = recvmsg(sock, &msg, MSG_DONTWAIT);if (len <= 0)  // 如果读取失败或无数据可读，则返回-1return -1;// 遍历所有控制消息for (ch = CMSG_FIRSTHDR(&msg); ch != NULL; ch = CMSG_NXTHDR(&msg, ch)) {// 查找IPV6层级的控制消息，类型为MAC地址if (ch->cmsg_level == IPPROTO_IPV6 && ch->cmsg_type == IPV6_MDMAC) {// 将MAC地址复制到mac数组memcpy(mac, CMSG_DATA(ch), ETH_ALEN);break;}}// 调用函数使用接收到的数据重建ARP表rebuild_arp_table(mac, from.sin6_addr);// 返回接收到的数据长度return len;
}

3.2 解析NA和NS报文中DAD报文保存设备mac和ipv6地址信息

3.2.1 open_ns_na_socket

int open_ns_na_socket(int idx) {int sock; // 套接字描述符int buffersize = 100 * 1024; // 接收缓冲区大小int ret = -1; // 用于存储返回值struct sockaddr_ll addr; // 低级别的地址定义struct ifreq ifr; // 接口请求结构体char *ifname = netscan.brname[idx]; // 网络接口名称// 创建一个原始套接字用于接收IPv6数据包if ((sock = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, htons(ETH_P_IPV6))) < 0) {return -1; // 如果创建失败，返回-1}// 设置套接字选项，增大接收缓冲区以避免数据包丢失ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &buffersize, sizeof(buffersize));if (ret < 0) // 如果设置失败{close(sock); // 关闭套接字return -1; // 返回-1}// 将网络接口名称复制到ifr结构体中，以便获取接口索引strncpy(ifr.ifr_name, ifname, IFNAMSIZ);if (ioctl(sock, SIOCGIFINDEX, &ifr) < 0) { // 使用ioctl获取接口索引close(sock); // 如果失败，则关闭套接字return -1; // 返回-1}// 设置地址结构体memset(&addr, 0, sizeof(addr)); // 地址结构体清零addr.sll_family = AF_PACKET; // 协议族为AF_PACKETaddr.sll_protocol = htons(ETH_P_IPV6); // 设置协议类型为IPv6addr.sll_ifindex = ifr.ifr_ifindex; // 设置网络接口索引if (bind(sock, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0) { // 绑定套接字到指定的网络接口close(sock); // 如果绑定失败，则关闭套接字return -1; // 返回-1}return sock; // 绑定成功，返回套接字描述符
}

3.2.2 recv_ns_na_pack

int recv_ns_na_pack(int sock) {char buf[2048];  // 缓冲区，用于存放接收的数据包struct ip6_hdr *ipv6_hdr;  // 指向IPv6头部的指针struct icmp6_hdr *icmp6_hdr;  // 指向ICMPv6头部的指针struct sockaddr_ll addr;  // 用于存储发送方地址信息的结构体socklen_t addr_len = sizeof(addr);  // 发送方地址信息结构体的大小ssize_t numbytes;  // 接收到的字节数uint8_t src_mac[ETH_ALEN];  // 用于存储源MAC地址的数组// 从套接字接收数据，并填充发送方地址信息numbytes = recvfrom(sock, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&addr, &addr_len);if (numbytes > 0) {// 获取IPv6头部，并跳过以太网头ipv6_hdr = (struct ip6_hdr *)(buf + sizeof(struct ethhdr));// 检查下一个头部是否为ICMPv6if (ipv6_hdr->ip6_nxt == IPPROTO_ICMPV6) {// 从以太网帧中提取源MAC地址memcpy(src_mac, buf + 6, ETH_ALEN);// 获取ICMPv6头部icmp6_hdr = (struct icmp6_hdr *)(buf + sizeof(struct ethhdr) + sizeof(struct ip6_hdr));// 如果是邻居请求if (icmp6_hdr->icmp6_type == ND_NEIGHBOR_SOLICIT) {// 如果源IPv6地址是未指定地址if (IN6_IS_ADDR_UNSPECIFIED(&ipv6_hdr->ip6_src)) {// 转换为邻居请求结构体struct nd_neighbor_solicit *ns = (struct nd_neighbor_solicit *)icmp6_hdr;// 使用目标地址和源MAC地址更新ARP表rebuild_arp_table(src_mac, ns->nd_ns_target);}}// 如果是邻居广告else if (icmp6_hdr->icmp6_type == ND_NEIGHBOR_ADVERT) {// 转换为邻居广告结构体struct nd_neighbor_advert *na = (struct nd_neighbor_advert *)icmp6_hdr;// 使用目标地址和源MAC地址更新ARP表rebuild_arp_table(src_mac, na->nd_na_target);}}}// 返回接收到的字节数return numbytes;
}

说明：

• 使用AF_PACKET和SOCK_RAW创建的套接字允许你在更低的层级上操作，直接处理硬件发送和接收的以太网帧，这通常用于实现底层网络协议或进行网络数据包的捕获。
• 使用AF_INET6和SOCK_RAW创建的套接字让你可以处理ICMPv6数据包，同时自动处理IPv6的数据链路层细节。你将接收到的是从IPv6头部开始的数据包，无需自己解析以太网头部。

由于需要获取DAD报文的mac，只能从eth层获取，所以这里才AF_PACKET创建套接字。

四、代码优化

上述修改后的socket使用AF_PACKET和SOCK_RAW创建的套接字，将接收所有的ipv6报文，并未进行过滤，如果在跑流或者组播测试时，一旦有大量的ipv6报文，会很大的占用资源，造成浪费和严重后果。
所以这里可以使用BPF（Berkeley Packet Filter）伯克利包过滤器进行过滤。

4.1 BPF参考学习资料

1. Linux网络编程：原始套接字–包过滤器BPF
2. linux网络和BPF
3. Linux bpf 3.1、Berkeley Packet Filter (BPF) (Kernel Document)

4.2 代码实现

4.2.1 方式一：使用指令直接编写BPF程序

struct sock_filter bpf_code[] = {// Load Ethernet Protocol Type into the BPF accumulator from the Ethernet header{BPF_LD + BPF_H + BPF_ABS, 0, 0, offsetof(struct ethhdr, h_proto)},// Jump to next instruction if Protocol Type is IPv6{BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, 0, 1, htons(ETH_P_IPV6)},// Go to reject packet{BPF_JMP + BPF_JA, 0, 0, 6},// Load the Next Header field from the IPv6 header{BPF_LD + BPF_B + BPF_ABS, 0, 0, ETH_HLEN + 6},// Jump to next instruction if Next Header is ICMPv6{BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, 0, 1, IPPROTO_ICMPV6},// Go to reject packet{BPF_JMP + BPF_JA, 0, 0, 4},// Load the ICMPv6 message type{BPF_LD + BPF_B + BPF_ABS, 0, 0, ETH_HLEN + 40},// Check if it's a Neighbor Solicitation message{BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, 0, 1, ND_NEIGHBOR_SOLICIT},// Check if it's a Neighbor Advertisement message{BPF_JMP + BPF_JEQ + BPF_K, 0, 0, ND_NEIGHBOR_ADVERT},// Reject packet{BPF_RET + BPF_K, 0, 0, 0},// Accept packet{BPF_RET + BPF_K, 0, 0, 0xffffffff},
};struct sock_fprog bpf = {.len = ARRAY_SIZE(bpf_code),.filter = bpf_code
};// 将BPF过滤器附加到套接字
ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_ATTACH_FILTER, &bpf, sizeof(bpf));
if (ret < 0) {close(sock);return -1;
}

4.2.1 方式二：使用 tcpdump -dd 命令生成BPF字节码

使用下面这种方式可以进行更好的扩展并指定接口，然后生成BPF字节码进行使用

#define MAX_FILTERS 256 // 假设一个最大的过滤器数量
#define COMMAND_SIZE 256 // 命令字符串的最大长度int get_BPF_bytecode(char *ifname) {FILE *fp;char path[1035];struct sock_filter bpf_code[MAX_FILTERS];int bpf_code_size = 0;// 使用snprintf构建tcpdump命令snprintf(command, COMMAND_SIZE, "tcpdump -dd -i %s 'icmp6 && ip6[40] == 135 || ip6[40] == 136'", ifname);// 执行tcpdump命令fp = popen(command, "r");if (fp == NULL) {printf("Failed to run command\n" );exit(1);}// 读取输出并解析while (fgets(path, sizeof(path), fp) != NULL) {struct sock_filter filter;if (sscanf(path, "{ 0x%x, %d, %d, 0x%x },", &filter.code, &filter.jt, &filter.jf, &filter.k) == 4) {bpf_code[bpf_code_size++] = filter;if(bpf_code_size >= MAX_FILTERS) {fprintf(stderr, "Too many filters, max is %d\n", MAX_FILTERS);break; // 防止数组溢出}}}return 0;
}

当然也可以直接使用命令进行生成，然后复制过去使用，这种方式就比较局限无法扩展，并且不易于维护。

4.3 二者优缺点

使用 tcpdump -dd 命令生成BPF字节码和直接编写一个BPF程序本质上是两个不同的操作层级，它们各自有优势和劣势：

一、使用 tcpdump -dd 生成BPF字节码:

优点:

• 简单易用：对非专家用户而言，使用 tcpdump -dd 可以非常简单快速地生成复杂过滤逻辑的字节码，无需深入了解BPF的内部语言和结构。
• 快速迭代：可以通过修改 tcpdump 的表达式快速更改过滤器的逻辑，并重新生成字节码。
• 广泛支持：tcpdump 表达式被广泛使用和支持，有许多文档和社区可以提供帮助。

缺点:

• 灵活性有限：受限于 tcpdump 表达式的能力，可能无法实现一些更复杂或特定需求的BPF程序逻辑。
• 外部依赖：需要在系统上安装 tcpdump 工具，对于嵌入式系统或严格的生产环境可能不是最优选择。

二、 直接编写BPF程序:
优点:

• 更灵活：可以编写任何复杂度的BPF程序，不受 tcpdump 表达式语法的限制。
• 性能优化：专业的BPF开发者可以精细调整每条指令，优化性能和资源使用。
• 深度集成：对于需要在运行时动态生成或修改BPF程序的应用，直接编程提供了更高的控制精度。

缺点:

• 复杂性高：编写原始BPF程序需要对BPF虚拟机的工作方式有深入理解，对于初学者来说门槛较高。
• 调试困难：BPF程序的调试通常比较困难，尤其是在高级的优化和调整阶段。

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