TCP 与 UDP 如何互通

Posted 2022-08-29 dog250

今天再来个花式玩法。

TCP 连接的报文，结果却送到了 UDP socket，有趣…

既然以太帧既可以在铜线上传输，也可以在光纤上，甚至空气里传输，那么 SOCK_STREAM socket 也就可以在 UDP 上传输，反之，TCP 报文也可以被 SOCK_DGRAM 接收。

上周实现了 TCP 的不可靠传输：不可靠不重传的假 TCP。但还可以更花式，将 TCP 数据送到 SOCK_DGRAM socket 如何？很简单，协议转换一下而已。

先展示实验。

服务端不启动 iperf -s，反而启动 nc -u -l -p 12345.

客户端发起 iperf -c 192.168.1.248 -i 1 -p 12345 -t 5.

下面是服务端 nc -u -l -p 12345 的输出一角：

iperf -c 端的输出：
​
是不是很神奇？TCP 竟然可将报文送到 UDP。

实现并不难，关键是想到这种玩法。如此一来，socket 和传输协议真解耦：

• 用 TCP 传输 socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)。
• 用 UDP 传输 socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)。
• 一端为 socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)，另一端为 socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)。
• …

由此引申出一种和传统封装型隧道不同的新隧道，协议转换型隧道。这类隧道解决了封装型隧道载荷率变低问题：vxlan 封装 TCP，wg 封装 vxlan，又是个 IPv6 环境，还能留给 payload 多少空间？

为保持原始 payload 的连接性(即五元组)，协议转换型隧道需在隧道两端维护识别原始五元组的虚电路，比如当 tupleX 1.1.1.1:123 tcp 2.2.2.2:321 第一次通过隧道，隧道要建立一个虚电路，tupleX 便可脱去整个 inner TCP/IP 头，用 UDP 携带一个超精简仅携带 seq，ack，rwnd 等字段的小头重新封装通过隧道，在隧道对端由虚电路重组成 tupleX。

借 NAT64 的可行性，IPv4 也可用来做传输 IPv6 的隧道，IPv6 报文转成 IPv4 报文通过网络，从而提高载荷率。

MPLS 大致也是类似，但还是不同，没这么狠。

总之就是用一个相对短的协议封装 payload 通过可控的网络，这也是 overlay 的思路，只是着眼点不同：

• 封装型 overlay 无状态，每包仅封装。
• 转换型 overlay 有状态，事先建立虚电路，保存不变元数据。

为了不让协议头越封装越长，就要消耗点时间建立虚电路，这也是时间换空间。

回到最初，TCP 换 UDP 怎么做到的？代码如下：

// 又一个不可靠，不重传的实现，POC 只能单流玩，不能重入！
#include <linux/module.h>
#include <linux/netfilter_ipv4.h>
#include <net/tcp.h>

static int max_seq = 0;
static bool tcp_reply(struct tcphdr *tcph, const struct tcphdr *oth, uint16_t payload, bool *retrans)


	/* SYN > SYN-ACK */
	if (oth->syn && !oth->ack) 
		tcph->syn = true;
		tcph->ack = true;
		tcph->window = 65000;
		tcph->seq = htonl(prandom_u32() & ~oth->seq);
		tcph->ack_seq = htonl(ntohl(oth->seq) + oth->syn);
		max_seq = ntohl(oth->seq);
	
        // 忽略重传数据
	if (ntohl(oth->seq) < max_seq) 
		*retrans = true;
		return false;
	
	/* ACK > ACK */
        // 来了就 ACK，不重传
	if (oth->ack && (!(oth->fin || oth->syn))) 
		tcph->syn = false;
		tcph->ack = true;
		tcph->window = 65000;
		tcph->ack_seq = htonl(ntohl(oth->seq) + payload);
		tcph->seq = oth->ack_seq;
		max_seq = ntohl(oth->seq) + payload;
		return false;
	

	/* FIN > RST */
	else if (oth->fin) 
		tcph->window  = 0;
		tcph->seq = oth->ack_seq;
		tcph->ack_seq = oth->ack_seq;
		tcph->fin = false;
		tcph->ack = false;
		tcph->rst = true;
	
	return true;


static unsigned int ipv4_pseudotcp_hook(void *priv, struct sk_buff *skb, const struct nf_hook_state *state)

	struct iphdr *niph, ihdr, *iphu, *iph = ip_hdr(skb);
	struct tcphdr _otcph, *oth, thdr, *tcph;
	struct udphdr *udph;
	struct sk_buff *nskb;
	unsigned int delta = sizeof(struct tcphdr) - sizeof(struct udphdr);
	uint16_t tmp, payload;
	bool reply = false, retrans = false;

	if (iph->protocol != IPPROTO_TCP)
		goto out;
	if (skb->len < ip_hdrlen(skb) + sizeof(struct tcphdr))
		goto out;
	oth = skb_header_pointer(skb, ip_hdrlen(skb), sizeof(_otcph), &_otcph);
	if (oth == NULL)
		goto out;
	if (nf_ip_checksum(skb, NF_INET_LOCAL_IN, ip_hdrlen(skb), IPPROTO_TCP))
		goto out;
	nskb = skb_copy_expand(skb, LL_MAX_HEADER, skb_tailroom(skb), GFP_ATOMIC);
	if (nskb == NULL)
		goto out;

	nf_reset_ct(nskb);
	skb_init_secmark(nskb);
	skb_shinfo(nskb)->gso_size = 0;
	skb_shinfo(nskb)->gso_segs = 0;
	skb_shinfo(nskb)->gso_type = 0;
	ihdr = *iph;
	tcph = (struct tcphdr *)(skb_network_header(nskb) + ip_hdrlen(nskb));
	thdr = *tcph;
	if (htons(tcph->dest) != 12345)
		goto out;

	niph = ip_hdr(nskb);
	niph->daddr = xchg(&niph->saddr, niph->daddr);
	tmp = tcph->source;
	tcph->source = tcph->dest;
	tcph->dest = tmp;
	payload = nskb->len - ip_hdrlen(nskb) - sizeof(struct tcphdr);
	tcph->doff = sizeof(struct tcphdr) / 4;
	skb_trim(nskb, ip_hdrlen(nskb) + sizeof(struct tcphdr));
	niph->tot_len = htons(nskb->len);
	tcph->urg_ptr = 0;
	((u_int8_t *)tcph)[13] = 0;

	reply = tcp_reply(tcph, oth, payload, &retrans);
	if ((reply == false && payload == 0) || retrans)
		goto free_nskb;

	tcph->check = 0;
	tcph->check = tcp_v4_check(sizeof(struct tcphdr), niph->saddr, niph->daddr, csum_partial((char *)tcph, sizeof(struct tcphdr), 0));
	niph->frag_off = htons(IP_DF);
	niph->id = ~ihdr.id + 1;

	if (ip_route_me_harder(&init_net, nskb->sk, nskb, RTN_LOCAL))
		goto free_nskb;
	else
		niph = ip_hdr(nskb);
	nskb->ip_summed = CHECKSUM_NONE;
	niph->ttl = 64;
	niph->check = 0;
	niph->check = ip_fast_csum(skb_network_header(nskb), niph->ihl);
	nf_ct_attach(nskb, skb);

	NF_HOOK(NFPROTO_IPV4, NF_INET_LOCAL_OUT, &init_net, nskb->sk, nskb, NULL, skb_dst(nskb)->dev, dst_output);
	if (reply == true || payload == 0)
		goto drop;

	ihdr.protocol = IPPROTO_UDP;
	ihdr.tot_len = htons(ntohs(ihdr.tot_len) - delta);
	iphu = (struct iphdr *)skb_pull(skb, delta);
	*iphu = ihdr;
	skb_reset_network_header(skb);
	skb_set_transport_header(skb,  iphu->ihl*4);
	ip_send_check(iphu);
	udph = (struct udphdr *)skb_transport_header(skb);
	udph->source = thdr.source;
	udph->dest = thdr.dest;
	udph->len = htons(ntohs(iphu->tot_len) - sizeof(struct iphdr));
	udph->check = 0;
out:
	return NF_ACCEPT;
free_nskb:
	kfree_skb(nskb);
drop:
	return NF_DROP;


static const struct nf_hook_ops ipv4_pseudotcp_ops[] = 
	
		.hook = ipv4_pseudotcp_hook,
		.pf = NFPROTO_IPV4,
		.hooknum = NF_INET_LOCAL_IN,
		.priority = NF_IP_PRI_LAST,
	,
;

static int __init pseudotcp_init(void)

	return nf_register_net_hooks(&init_net, ipv4_pseudotcp_ops, ARRAY_SIZE(ipv4_pseudotcp_ops));


static void __exit pseudotcp_exit(void)

	nf_unregister_net_hooks(&init_net, ipv4_pseudotcp_ops, ARRAY_SIZE(ipv4_pseudotcp_ops));


module_init(pseudotcp_init);
module_exit(pseudotcp_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

这个算法依然不重传，完全是 UDP 的语义。既然接收端是 UDP，为什么大费周章用假 TCP 传输呢？
为了欺骗运营商呗。

还有一个意思，从此以后，TCP 发送端可以和 UDP 接收端对接，这对应用程序而言，意味着可分别改造即可完成适配，甚至故意这么玩，都可。

NAT64 可以将 IPv6 报文转换为 IPv4 报文，同样，TCP 报文也能转换成 UDP 报文。简单试试，有点意思。

浙江温州皮鞋湿，下雨进水不会胖。