Quelle  ip_defrag.c   Sprache: C

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0

#define _GNU_SOURCE

#include <arpa/inet.h>
#include <errno.h>
#include <error.h>
#include <linux/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/ip6.h>
#include <netinet/udp.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>

static bool  cfg_do_ipv4;
static bool  cfg_do_ipv6;
static bool  cfg_verbose;
static bool  cfg_overlap;
static bool  cfg_permissive;
static unsigned short cfg_port = 9000;

const struct in_addr addr4 = { .s_addr = __constant_htonl(INADDR_LOOPBACK + 2) };
const struct in6_addr addr6 = IN6ADDR_LOOPBACK_INIT;

#define IP4_HLEN (sizeof(struct iphdr))
#define IP6_HLEN (sizeof(struct ip6_hdr))
#define UDP_HLEN (sizeof(struct udphdr))

/* IPv6 fragment header lenth. */
#define FRAG_HLEN 8

static int payload_len;
static int max_frag_len;

#define MSG_LEN_MAX 10000 /* Max UDP payload length. */

#define IP4_MF  (1u << 13)  /* IPv4 MF flag. */
#define IP6_MF  (1)  /* IPv6 MF flag. */

#define CSUM_MANGLED_0 (0xffff)

static uint8_t udp_payload[MSG_LEN_MAX];
static uint8_t ip_frame[IP_MAXPACKET];
static uint32_t ip_id = 0xabcd;
static int msg_counter;
static int frag_counter;
static unsigned int seed;

/* Receive a UDP packet. Validate it matches udp_payload. */
static void recv_validate_udp(int fd_udp)
{
 ssize_t ret;
 static uint8_t recv_buff[MSG_LEN_MAX];

 ret = recv(fd_udp, recv_buff, payload_len, 0);
 msg_counter++;

 if (cfg_overlap) {
  if (ret == -1 && (errno == ETIMEDOUT || errno == EAGAIN))
   return;  /* OK */
  if (!cfg_permissive) {
   if (ret != -1)
    error(1, 0, "recv: expected timeout; got %d",
     (int)ret);
   error(1, errno, "recv: expected timeout: %d", errno);
  }
 }

 if (ret == -1)
  error(1, errno, "recv: payload_len = %d max_frag_len = %d",
   payload_len, max_frag_len);
 if (ret != payload_len)
  error(1, 0, "recv: wrong size: %d vs %d", (int)ret, payload_len);
 if (memcmp(udp_payload, recv_buff, payload_len))
  error(1, 0, "recv: wrong data");
}

static uint32_t raw_checksum(uint8_t *buf, int len, uint32_t sum)
{
 int i;

 for (i = 0; i < (len & ~1U); i += 2) {
  sum += (u_int16_t)ntohs(*((u_int16_t *)(buf + i)));
  if (sum > 0xffff)
   sum -= 0xffff;
 }

 if (i < len) {
  sum += buf[i] << 8;
  if (sum > 0xffff)
   sum -= 0xffff;
 }

 return sum;
}

static uint16_t udp_checksum(struct ip *iphdr, struct udphdr *udphdr)
{
 uint32_t sum = 0;
 uint16_t res;

 sum = raw_checksum((uint8_t *)&iphdr->ip_src, 2 * sizeof(iphdr->ip_src),
    IPPROTO_UDP + (uint32_t)(UDP_HLEN + payload_len));
 sum = raw_checksum((uint8_t *)udphdr, UDP_HLEN, sum);
 sum = raw_checksum((uint8_t *)udp_payload, payload_len, sum);
 res = 0xffff & ~sum;
 if (res)
  return htons(res);
 else
  return CSUM_MANGLED_0;
}

static uint16_t udp6_checksum(struct ip6_hdr *iphdr, struct udphdr *udphdr)
{
 uint32_t sum = 0;
 uint16_t res;

 sum = raw_checksum((uint8_t *)&iphdr->ip6_src, 2 * sizeof(iphdr->ip6_src),
    IPPROTO_UDP);
 sum = raw_checksum((uint8_t *)&udphdr->len, sizeof(udphdr->len), sum);
 sum = raw_checksum((uint8_t *)udphdr, UDP_HLEN, sum);
 sum = raw_checksum((uint8_t *)udp_payload, payload_len, sum);
 res = 0xffff & ~sum;
 if (res)
  return htons(res);
 else
  return CSUM_MANGLED_0;
}

static void send_fragment(int fd_raw, struct sockaddr *addr, socklen_t alen,
    int offset, bool ipv6)
{
 int frag_len;
 int res;
 int payload_offset = offset > 0 ? offset - UDP_HLEN : 0;
 uint8_t *frag_start = ipv6 ? ip_frame + IP6_HLEN + FRAG_HLEN :
     ip_frame + IP4_HLEN;

 if (offset == 0) {
  struct udphdr udphdr;
  udphdr.source = htons(cfg_port + 1);
  udphdr.dest = htons(cfg_port);
  udphdr.len = htons(UDP_HLEN + payload_len);
  udphdr.check = 0;
  if (ipv6)
   udphdr.check = udp6_checksum((struct ip6_hdr *)ip_frame, &udphdr);
  else
   udphdr.check = udp_checksum((struct ip *)ip_frame, &udphdr);
  memcpy(frag_start, &udphdr, UDP_HLEN);
 }

 if (ipv6) {
  struct ip6_hdr *ip6hdr = (struct ip6_hdr *)ip_frame;
  struct ip6_frag *fraghdr = (struct ip6_frag *)(ip_frame + IP6_HLEN);
  if (payload_len - payload_offset <= max_frag_len && offset > 0) {
   /* This is the last fragment. */
   frag_len = FRAG_HLEN + payload_len - payload_offset;
   fraghdr->ip6f_offlg = htons(offset);
  } else {
   frag_len = FRAG_HLEN + max_frag_len;
   fraghdr->ip6f_offlg = htons(offset | IP6_MF);
  }
  ip6hdr->ip6_plen = htons(frag_len);
  if (offset == 0)
   memcpy(frag_start + UDP_HLEN, udp_payload,
    frag_len - FRAG_HLEN - UDP_HLEN);
  else
   memcpy(frag_start, udp_payload + payload_offset,
    frag_len - FRAG_HLEN);
  frag_len += IP6_HLEN;
 } else {
  struct ip *iphdr = (struct ip *)ip_frame;
  if (payload_len - payload_offset <= max_frag_len && offset > 0) {
   /* This is the last fragment. */
   frag_len = IP4_HLEN + payload_len - payload_offset;
   iphdr->ip_off = htons(offset / 8);
  } else {
   frag_len = IP4_HLEN + max_frag_len;
   iphdr->ip_off = htons(offset / 8 | IP4_MF);
  }
  iphdr->ip_len = htons(frag_len);
  if (offset == 0)
   memcpy(frag_start + UDP_HLEN, udp_payload,
    frag_len - IP4_HLEN - UDP_HLEN);
  else
   memcpy(frag_start, udp_payload + payload_offset,
    frag_len - IP4_HLEN);
 }

 res = sendto(fd_raw, ip_frame, frag_len, 0, addr, alen);
 if (res < 0 && errno != EPERM)
  error(1, errno, "send_fragment");
 if (res >= 0 && res != frag_len)
  error(1, 0, "send_fragment: %d vs %d", res, frag_len);

 frag_counter++;
}

static void send_udp_frags(int fd_raw, struct sockaddr *addr,
    socklen_t alen, bool ipv6)
{
 struct ip *iphdr = (struct ip *)ip_frame;
 struct ip6_hdr *ip6hdr = (struct ip6_hdr *)ip_frame;
 int res;
 int offset;
 int frag_len;

 /* Send the UDP datagram using raw IP fragments: the 0th fragment
 * has the UDP header; other fragments are pieces of udp_payload
 * split in chunks of frag_len size.
 *
 * Odd fragments (1st, 3rd, 5th, etc.) are sent out first, then
 * even fragments (0th, 2nd, etc.) are sent out.
 */
 if (ipv6) {
  struct ip6_frag *fraghdr = (struct ip6_frag *)(ip_frame + IP6_HLEN);
  ((struct sockaddr_in6 *)addr)->sin6_port = 0;
  memset(ip6hdr, 0, sizeof(*ip6hdr));
  ip6hdr->ip6_flow = htonl(6<<28);  /* Version. */
  ip6hdr->ip6_nxt = IPPROTO_FRAGMENT;
  ip6hdr->ip6_hops = 255;
  ip6hdr->ip6_src = addr6;
  ip6hdr->ip6_dst = addr6;
  fraghdr->ip6f_nxt = IPPROTO_UDP;
  fraghdr->ip6f_reserved = 0;
  fraghdr->ip6f_ident = htonl(ip_id++);
 } else {
  memset(iphdr, 0, sizeof(*iphdr));
  iphdr->ip_hl = 5;
  iphdr->ip_v = 4;
  iphdr->ip_tos = 0;
  iphdr->ip_id = htons(ip_id++);
  iphdr->ip_ttl = 0x40;
  iphdr->ip_p = IPPROTO_UDP;
  iphdr->ip_src.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);
  iphdr->ip_dst = addr4;
  iphdr->ip_sum = 0;
 }

 /* Occasionally test in-order fragments. */
 if (!cfg_overlap && (rand() % 100 < 15)) {
  offset = 0;
  while (offset < (UDP_HLEN + payload_len)) {
   send_fragment(fd_raw, addr, alen, offset, ipv6);
   offset += max_frag_len;
  }
  return;
 }

 /* Occasionally test IPv4 "runs" (see net/ipv4/ip_fragment.c) */
 if (!cfg_overlap && (rand() % 100 < 20) &&
   (payload_len > 9 * max_frag_len)) {
  offset = 6 * max_frag_len;
  while (offset < (UDP_HLEN + payload_len)) {
   send_fragment(fd_raw, addr, alen, offset, ipv6);
   offset += max_frag_len;
  }
  offset = 3 * max_frag_len;
  while (offset < 6 * max_frag_len) {
   send_fragment(fd_raw, addr, alen, offset, ipv6);
   offset += max_frag_len;
  }
  offset = 0;
  while (offset < 3 * max_frag_len) {
   send_fragment(fd_raw, addr, alen, offset, ipv6);
   offset += max_frag_len;
  }
  return;
 }

 /* Odd fragments. */
 offset = max_frag_len;
 while (offset < (UDP_HLEN + payload_len)) {
  send_fragment(fd_raw, addr, alen, offset, ipv6);
  /* IPv4 ignores duplicates, so randomly send a duplicate. */
  if (rand() % 100 == 1)
   send_fragment(fd_raw, addr, alen, offset, ipv6);
  offset += 2 * max_frag_len;
 }

 if (cfg_overlap) {
  /* Send an extra random fragment.
 *
 * Duplicates and some fragments completely inside
 * previously sent fragments are dropped/ignored. So
 * random offset and frag_len can result in a dropped
 * fragment instead of a dropped queue/packet. Thus we
 * hard-code offset and frag_len.
 */
  if (max_frag_len * 4 < payload_len || max_frag_len < 16) {
   /* not enough payload for random offset and frag_len. */
   offset = 8;
   frag_len = UDP_HLEN + max_frag_len;
  } else {
   offset = rand() % (payload_len / 2);
   frag_len = 2 * max_frag_len + 1 + rand() % 256;
  }
  if (ipv6) {
   struct ip6_frag *fraghdr = (struct ip6_frag *)(ip_frame + IP6_HLEN);
   /* sendto() returns EINVAL if offset + frag_len is too small. */
   /* In IPv6 if !!(frag_len % 8), the fragment is dropped. */
   frag_len &= ~0x7;
   fraghdr->ip6f_offlg = htons(offset / 8 | IP6_MF);
   ip6hdr->ip6_plen = htons(frag_len);
   frag_len += IP6_HLEN;
  } else {
   frag_len += IP4_HLEN;
   iphdr->ip_off = htons(offset / 8 | IP4_MF);
   iphdr->ip_len = htons(frag_len);
  }
  res = sendto(fd_raw, ip_frame, frag_len, 0, addr, alen);
  if (res < 0 && errno != EPERM)
   error(1, errno, "sendto overlap: %d", frag_len);
  if (res >= 0 && res != frag_len)
   error(1, 0, "sendto overlap: %d vs %d", (int)res, frag_len);
  frag_counter++;
 }

 /* Event fragments. */
 offset = 0;
 while (offset < (UDP_HLEN + payload_len)) {
  send_fragment(fd_raw, addr, alen, offset, ipv6);
  /* IPv4 ignores duplicates, so randomly send a duplicate. */
  if (rand() % 100 == 1)
   send_fragment(fd_raw, addr, alen, offset, ipv6);
  offset += 2 * max_frag_len;
 }
}

static void run_test(struct sockaddr *addr, socklen_t alen, bool ipv6)
{
 int fd_tx_raw, fd_rx_udp;
 /* Frag queue timeout is set to one second in the calling script;
 * socket timeout should be just a bit longer to avoid tests interfering
 * with each other.
 */
 struct timeval tv = { .tv_sec = 1, .tv_usec = 10 };
 int idx;
 int min_frag_len = 8;

 /* Initialize the payload. */
 for (idx = 0; idx < MSG_LEN_MAX; ++idx)
  udp_payload[idx] = idx % 256;

 /* Open sockets. */
 fd_tx_raw = socket(addr->sa_family, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
 if (fd_tx_raw == -1)
  error(1, errno, "socket tx_raw");

 fd_rx_udp = socket(addr->sa_family, SOCK_DGRAM, 0);
 if (fd_rx_udp == -1)
  error(1, errno, "socket rx_udp");
 if (bind(fd_rx_udp, addr, alen))
  error(1, errno, "bind");
 /* Fail fast. */
 if (setsockopt(fd_rx_udp, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &tv, sizeof(tv)))
  error(1, errno, "setsockopt rcv timeout");

 for (payload_len = min_frag_len; payload_len < MSG_LEN_MAX;
   payload_len += (rand() % 4096)) {
  if (cfg_verbose)
   printf("payload_len: %d\n", payload_len);

  if (cfg_overlap) {
   /* With overlaps, one send/receive pair below takes
 * at least one second (== timeout) to run, so there
 * is not enough test time to run a nested loop:
 * the full overlap test takes 20-30 seconds.
 */
   max_frag_len = min_frag_len +
    rand() % (1500 - FRAG_HLEN - min_frag_len);
   send_udp_frags(fd_tx_raw, addr, alen, ipv6);
   recv_validate_udp(fd_rx_udp);
  } else {
   /* Without overlaps, each packet reassembly (== one
 * send/receive pair below) takes very little time to
 * run, so we can easily afford more thourough testing
 * with a nested loop: the full non-overlap test takes
 * less than one second).
 */
   max_frag_len = min_frag_len;
   do {
    send_udp_frags(fd_tx_raw, addr, alen, ipv6);
    recv_validate_udp(fd_rx_udp);
    max_frag_len += 8 * (rand() % 8);
   } while (max_frag_len < (1500 - FRAG_HLEN) &&
     max_frag_len <= payload_len);
  }
 }

 /* Cleanup. */
 if (close(fd_tx_raw))
  error(1, errno, "close tx_raw");
 if (close(fd_rx_udp))
  error(1, errno, "close rx_udp");

 if (cfg_verbose)
  printf("processed %d messages, %d fragments\n",
   msg_counter, frag_counter);

 fprintf(stderr, "PASS\n");
}


static void run_test_v4(void)
{
 struct sockaddr_in addr = {0};

 addr.sin_family = AF_INET;
 addr.sin_port = htons(cfg_port);
 addr.sin_addr = addr4;

 run_test((void *)&addr, sizeof(addr), false /* !ipv6 */);
}

static void run_test_v6(void)
{
 struct sockaddr_in6 addr = {0};

 addr.sin6_family = AF_INET6;
 addr.sin6_port = htons(cfg_port);
 addr.sin6_addr = addr6;

 run_test((void *)&addr, sizeof(addr), true /* ipv6 */);
}

static void parse_opts(int argc, char **argv)
{
 int c;

 while ((c = getopt(argc, argv, "46opv")) != -1) {
  switch (c) {
  case '4':
   cfg_do_ipv4 = true;
   break;
  case '6':
   cfg_do_ipv6 = true;
   break;
  case 'o':
   cfg_overlap = true;
   break;
  case 'p':
   cfg_permissive = true;
   break;
  case 'v':
   cfg_verbose = true;
   break;
  default:
   error(1, 0, "%s: parse error", argv[0]);
  }
 }
}

int main(int argc, char **argv)
{
 parse_opts(argc, argv);
 seed = time(NULL);
 srand(seed);
 /* Print the seed to track/reproduce potential failures. */
 printf("seed = %d\n", seed);

 if (cfg_do_ipv4)
  run_test_v4();
 if (cfg_do_ipv6)
  run_test_v6();

 return 0;
}