src/transport/gnunet-nat-client.c

   1 /*
   2      This file is part of GNUnet.
   3      (C) 2010 Christian Grothoff (and other contributing authors)
   4
   5      GNUnet is free software; you can redistribute it and/or modify
   6      it under the terms of the GNU General Public License as published
   7      by the Free Software Foundation; either version 3, or (at your
   8      option) any later version.
   9
  10      GNUnet is distributed in the hope that it will be useful, but
  11      WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12      MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  13      General Public License for more details.
  14
  15      You should have received a copy of the GNU General Public License
  16      along with GNUnet; see the file COPYING.  If not, write to the
  17      Free Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330,
  18      Boston, MA 02111-1307, USA.
  19 */
  20
  21 /**
  22  * @file src/transport/gnunet-nat-client.c
  23  * @brief Tool to help bypass NATs using ICMP method; must run as root (for now, later SUID will do)
  24  *        This code will work under GNU/Linux only (or maybe BSDs, but never W32)
  25  * @author Christian Grothoff
  26  */
  27
  28 #include <sys/types.h>
  29 #include <sys/socket.h>
  30 #include <arpa/inet.h>
  31 #include <sys/select.h>
  32 #include <sys/time.h>
  33 #include <sys/types.h>
  34 #include <unistd.h>
  35 #include <stdio.h>
  36 #include <string.h>
  37 #include <errno.h>
  38 #include <stdlib.h>
  39 #include <stdint.h>
  40 #include <netinet/ip.h>
  41 #include <netinet/ip_icmp.h>
  42 #include <netinet/in.h>
  43
  44 /**
  45  * Number of UDP ports to keep open.
  46  */
  47 #define NUM_UDP_PORTS 512
  48
  49 /**
  50  * How often do we send our UDP messages to keep ports open?
  51  */
  52 #define UDP_SEND_FREQUENCY_MS 500
  53
  54 /**
  55  * Port we use for the dummy target.
  56  */
  57 #define NAT_TRAV_PORT 2222
  58
  59 /**
  60  * How often do we retry to open and bind a UDP socket before giving up?
  61  */
  62 #define MAX_TRIES 10
  63
  64
  65 struct ip_packet
  66 {
  67   uint8_t vers_ihl;
  68   uint8_t tos;
  69   uint16_t pkt_len;
  70   uint16_t id;
  71   uint16_t flags_frag_offset;
  72   uint8_t ttl;
  73   uint8_t proto;
  74   uint16_t checksum;
  75   uint32_t src_ip;
  76   uint32_t dst_ip;
  77 };
  78
  79 struct icmp_packet
  80 {
  81   uint8_t type;
  82   uint8_t code;
  83   uint16_t checksum;
  84   uint32_t reserved;
  85 };
  86
  87 struct udp_packet
  88 {
  89   uint16_t source_port;
  90   uint16_t dst_port;
  91   uint16_t mlen_aka_reply_port_magic;
  92   uint16_t checksum_aka_my_magic;
  93 };
  94
  95
  96 /**
  97  * Structure of the data we tack on to the fake ICMP reply
  98  * (last 4 bytes of the 64 bytes).
  99  */
 100 struct extra_packet
 101 {
 102   /**
 103    * if this is a reply to an icmp, what was the 'my_magic'
 104    * value from the original icmp?
 105    */
 106   uint16_t reply_port_magic;
 107
 108   /**
 109    * magic value of the sender of this icmp message.
 110    */
 111   uint16_t my_magic;
 112 };
 113
 114 static int udpsocks[NUM_UDP_PORTS];
 115
 116 static uint16_t udpports[NUM_UDP_PORTS];
 117
 118 static int icmpsock;
 119
 120 static int rawsock;
 121
 122 static struct in_addr dummy;
 123
 124
 125 /**
 126  * create a random port number that is not totally
 127  * unlikely to be chosen by the nat box.
 128  */
 129 static uint16_t make_port ()
 130 {
 131   return 1024 + ( (unsigned int)rand ()) % (63 * 1024 - 2);
 132 }
 133
 134
 135 /**
 136  * create a fresh udp socket bound to a random local port.
 137  */
 138 static int
 139 make_udp_socket (uint16_t *port)
 140 {
 141   int ret;
 142   int tries;
 143   struct sockaddr_in src;
 144
 145   for (tries=0;tries<MAX_TRIES;tries++)
 146     {
 147       ret = socket (AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 148       if (-1 == ret)
 149         {
 150           fprintf (stderr,
 151                    "Error opening udp socket: %s\n",
 152                    strerror (errno));
 153           return -1;
 154         }
 155       if (ret >= FD_SETSIZE)
 156         {
 157           fprintf (stderr,
 158                    "Socket number too large (%d > %u)\n",
 159                    ret,
 160                    (unsigned int) FD_SETSIZE);
 161           close (ret);
 162           return -1;
 163         }
 164       memset (&src, 0, sizeof (src));
 165       src.sin_family = AF_INET;
 166       src.sin_port = htons (make_port ());
 167       if (0 != bind (ret, (struct sockaddr*) &src, sizeof (src)))
 168         {
 169           close (ret);
 170           continue;
 171         }
 172       *port = ntohs (src.sin_port);
 173       return ret;
 174     }
 175   fprintf (stderr,
 176            "Error binding udp socket: %s\n",
 177            strerror (errno));
 178   return -1;
 179 }
 180
 181
 182 static uint16_t
 183 calc_checksum(const uint16_t *data,
 184               unsigned int bytes)
 185 {
 186   uint32_t sum;
 187   unsigned int i;
 188
 189   sum = 0;
 190   for (i=0;i<bytes/2;i++)
 191     sum += data[i];
 192   sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
 193   sum = htons(0xffff - sum);
 194   return sum;
 195 }
 196
 197
 198 /**
 199  * send an icmp message to the target.
 200  *
 201  * @param my_ip source address (our ip address)
 202  * @param other target address
 203  * @param target_port_number fake port number to put into icmp response
 204  *                           as well as the icmpextradata as 'my_magic'
 205  * @param source_port_number magic_number that enables the other peer to
 206  *                           identify our port number ('reply in response to') to
 207  *                           put in the data portion; 0 if we are initiating;
 208  *                           goes into 'reply_port_magic' of the icmpextradata
 209  */
 210 static void
 211 send_icmp (const struct in_addr *my_ip,
 212            const struct in_addr *other,
 213            uint16_t target_port_number,
 214            uint16_t source_port_number)
 215 {
 216   struct ip_packet ip_pkt;
 217   struct icmp_packet icmp_pkt;
 218   struct udp_packet udp_pkt;
 219   struct sockaddr_in dst;
 220   char packet[sizeof (ip_pkt) + sizeof (icmp_pkt) + sizeof (udp_pkt)];
 221   size_t off;
 222   int err;
 223
 224   /* ip header: send to (known) ip address */
 225   off = 0;
 226   memset(&ip_pkt, 0, sizeof(ip_pkt));
 227   ip_pkt.vers_ihl = 0x45;//|(pkt_len>>2);//5;//(ipversion << 4) | (iphdr_size >> 2);
 228   ip_pkt.tos = 0;
 229   ip_pkt.pkt_len = sizeof (packet); /* huh? */
 230   ip_pkt.id = 1; /* kernel will change anyway!? */
 231   ip_pkt.flags_frag_offset = 0;
 232   ip_pkt.ttl = IPDEFTTL;
 233   ip_pkt.proto = IPPROTO_ICMP;
 234   ip_pkt.checksum = 0; /* maybe the kernel helps us out..? */
 235   ip_pkt.src_ip = my_ip->s_addr;
 236   ip_pkt.dst_ip = other->s_addr;
 237   ip_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&ip_pkt, sizeof (ip_pkt)));
 238   memcpy (packet, &ip_pkt, sizeof (ip_pkt));
 239   off += sizeof (ip_pkt);
 240
 241   /* icmp reply: time exceeded */
 242   memset(&icmp_pkt, 0, sizeof(icmp_pkt));
 243   icmp_pkt.type = ICMP_TIME_EXCEEDED;
 244   icmp_pkt.code = ICMP_NET_UNREACH;
 245   icmp_pkt.reserved = 0;
 246   icmp_pkt.checksum = 0;
 247   icmp_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&icmp_pkt, sizeof (icmp_pkt)));
 248   memcpy (&packet[off], &icmp_pkt, sizeof (icmp_pkt));
 249   off += sizeof (icmp_pkt);
 250
 251   /* ip header of the presumably 'lost' udp packet */
 252   memset(&ip_pkt, 0, sizeof (ip_pkt));
 253   ip_pkt.vers_ihl = 0x45;
 254   ip_pkt.tos = 0;
 255   /* no idea why i need to shift the bits here, but not on ip_pkt->pkt_len... */
 256   ip_pkt.pkt_len = (sizeof (ip_pkt) + sizeof (icmp_pkt)) << 8;
 257   ip_pkt.id = 1; /* kernel sets proper value htons(ip_id_counter); */
 258   ip_pkt.flags_frag_offset = 0;
 259   ip_pkt.ttl = 1; /* real TTL would be 1 on a time exceeded packet */
 260   ip_pkt.proto = IPPROTO_UDP;
 261   ip_pkt.src_ip = other->s_addr;
 262   ip_pkt.dst_ip = dummy.s_addr;
 263   ip_pkt.checksum = 0;
 264   ip_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&ip_pkt, sizeof (ip_pkt)));
 265   memcpy (&packet[off], &ip_pkt, sizeof (ip_pkt));
 266   off += sizeof (ip_pkt);
 267
 268   memset(&udp_pkt, 0, sizeof (udp_pkt));
 269   udp_pkt.source_port = htons (target_port_number);
 270   udp_pkt.dst_port = htons (NAT_TRAV_PORT);
 271   fprintf (stderr,
 272            "** Generating ICMP with rpm %u\n",
 273            target_port_number);
 274   udp_pkt.mlen_aka_reply_port_magic = htons (source_port_number);
 275   udp_pkt.checksum_aka_my_magic = htons (target_port_number);
 276   memcpy (&packet[off], &udp_pkt, sizeof (udp_pkt));
 277   off += sizeof (udp_pkt);
 278
 279   memset (&dst, 0, sizeof (dst));
 280   dst.sin_family = AF_INET;
 281   dst.sin_addr = *other;
 282   err = sendto(rawsock,
 283                packet,
 284                off, 0,
 285                (struct sockaddr*)&dst,
 286                sizeof(dst)); /* or sizeof 'struct sockaddr'? */
 287   if (err < 0) {
 288     fprintf(stderr,
 289             "sendto failed: %s\n", strerror(errno));
 290   } else if (err != off)
 291     fprintf(stderr,
 292             "Error: partial send of ICMP message\n");
 293 }
 294
 295
 296 /**
 297  * We discovered the IP address of the other peer.
 298  * Try to connect back to it.
 299  */
 300 static void
 301 try_connect (const struct in_addr *my_ip,
 302              const struct in_addr *other,
 303              uint16_t port_magic)
 304 {
 305   unsigned int i;
 306   char sbuf [INET_ADDRSTRLEN];
 307
 308   fprintf (stderr,
 309            "Sending %u ICMPs to `%s' with reply magic %u\n",
 310            NUM_UDP_PORTS,
 311            inet_ntop (AF_INET,
 312                       other,
 313                       sbuf,
 314                       sizeof (sbuf)),
 315            port_magic);
 316   for (i=0;i<NUM_UDP_PORTS;i++)
 317     send_icmp (my_ip, other, make_port(), port_magic);
 318 }
 319
 320
 321 static void
 322 process_icmp_response (const struct in_addr *my_ip,
 323                        int s)
 324 {
 325   char buf[65536];
 326   ssize_t have;
 327   struct in_addr sip;
 328   uint16_t my_magic;
 329   uint16_t reply_magic;
 330   struct ip_packet ip_pkt;
 331   struct icmp_packet icmp_pkt;
 332   struct udp_packet udp_pkt;
 333   size_t off;
 334
 335   have = read (s, buf, sizeof (buf));
 336   if (have == -1)
 337     {
 338       fprintf (stderr,
 339                "Error reading raw socket: %s\n",
 340                strerror (errno));
 341       /* What now? */
 342       return;
 343     }
 344   if (have != sizeof (struct ip_packet) *2 + sizeof (struct icmp_packet) +
 345       sizeof (struct udp_packet))
 346     {
 347       fprintf (stderr,
 348                "Received ICMP message of unexpected size: %u bytes\n",
 349                (unsigned int) have);
 350       return;
 351     }
 352   off = 0;
 353   memcpy (&ip_pkt, &buf[off], sizeof (ip_pkt));
 354   off += sizeof (ip_pkt);
 355   memcpy (&icmp_pkt, &buf[off], sizeof (icmp_pkt));
 356   off += sizeof (icmp_pkt);
 357   off += sizeof (ip_pkt);
 358   memcpy (&udp_pkt, &buf[off], sizeof (udp_pkt));
 359   off += sizeof (struct udp_packet);
 360
 361   if ( (ip_pkt.proto == IPPROTO_ICMP) &&
 362        (icmp_pkt.type == ICMP_DEST_UNREACH) &&
 363        (icmp_pkt.code == ICMP_HOST_UNREACH) )
 364     {
 365       /* this is what is normal due to our UDP traffic */
 366       return;
 367     }
 368   if ( (ip_pkt.proto != IPPROTO_ICMP) ||
 369        (icmp_pkt.type != ICMP_TIME_EXCEEDED) ||
 370        (icmp_pkt.code != ICMP_NET_UNREACH) )
 371     {
 372       /* Note the expected client response and not the normal network response */
 373       fprintf (stderr,
 374                "Received unexpected ICMP message contents (%u, %u, %u), ignoring\n",
 375                ip_pkt.proto,
 376                icmp_pkt.type,
 377                icmp_pkt.code);
 378       return;
 379     }
 380   memcpy(&sip, &ip_pkt.src_ip, sizeof (sip));
 381   my_magic = ntohs (udp_pkt.checksum_aka_my_magic);
 382   reply_magic = ntohs (udp_pkt.mlen_aka_reply_port_magic);
 383   if  (my_magic == 0)
 384     {
 385 #if 0
 386       /* we get these a lot during loopback testing... */
 387       fprintf (stderr,
 388                "Received ICMP without hint as to which port worked, dropping\n");
 389 #endif
 390       return;
 391     }
 392   fprintf (stderr,
 393            "Received ICMP from `%s' with hints %u and %u\n",
 394            inet_ntop (AF_INET,
 395                       &sip,
 396                       buf,
 397                       sizeof (buf)),
 398            my_magic,
 399            reply_magic);
 400   if (my_magic == 0)
 401     {
 402       try_connect (my_ip, &sip, reply_magic);
 403     }
 404   else
 405     {
 406       printf ("%s:%u\n",
 407               inet_ntop (AF_INET,
 408                          &sip,
 409                          buf,
 410                          sizeof(buf)),
 411               my_magic);
 412     }
 413 }
 414
 415
 416 static int
 417 make_icmp_socket ()
 418 {
 419   int ret;
 420
 421   ret = socket (AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
 422   if (-1 == ret)
 423     {
 424       fprintf (stderr,
 425                "Error opening RAW socket: %s\n",
 426                strerror (errno));
 427       return -1;
 428     }
 429   if (ret >= FD_SETSIZE)
 430     {
 431       fprintf (stderr,
 432                "Socket number too large (%d > %u)\n",
 433                ret,
 434                (unsigned int) FD_SETSIZE);
 435       close (ret);
 436       return -1;
 437     }
 438   return ret;
 439 }
 440
 441
 442 static int
 443 make_raw_socket ()
 444 {
 445   const int one = 1;
 446   int ret;
 447
 448   ret = socket (AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
 449   if (-1 == ret)
 450     {
 451       fprintf (stderr,
 452                "Error opening RAW socket: %s\n",
 453                strerror (errno));
 454       return -1;
 455     }
 456   if (ret >= FD_SETSIZE)
 457     {
 458       fprintf (stderr,
 459                "Socket number too large (%d > %u)\n",
 460                ret,
 461                (unsigned int) FD_SETSIZE);
 462       close (ret);
 463       return -1;
 464     }
 465   if (setsockopt(ret, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST,
 466                  (char *)&one, sizeof(one)) == -1)
 467     fprintf(stderr,
 468             "setsockopt failed: %s\n",
 469             strerror (errno));
 470   if (setsockopt(ret, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL,
 471                  (char *)&one, sizeof(one)) == -1)
 472     fprintf(stderr,
 473             "setsockopt failed: %s\n",
 474             strerror (errno));
 475   return ret;
 476 }
 477
 478
 479 int
 480 main (int argc, char *const *argv)
 481 {
 482   struct in_addr target;
 483   struct in_addr external;
 484   unsigned int i;
 485   unsigned int pos;
 486   fd_set rs;
 487   struct timeval tv;
 488   struct sockaddr_in dst;
 489   uint16_t p;
 490
 491   if (argc != 4)
 492     {
 493       fprintf (stderr,
 494                "This program must be started with our IP, the targets external IP and the dummy IP address as arguments.\n");
 495       return 1;
 496     }
 497   if ( (1 != inet_pton (AF_INET, argv[1], &external)) ||
 498        (1 != inet_pton (AF_INET, argv[2], &target)) ||
 499        (1 != inet_pton (AF_INET, argv[3], &dummy)) )
 500     {
 501       fprintf (stderr,
 502                "Error parsing IPv4 address: %s\n",
 503                strerror (errno));
 504       return 1;
 505     }
 506   memset (&dst, 0, sizeof (dst));
 507   dst.sin_family = AF_INET;
 508   dst.sin_port = htons (NAT_TRAV_PORT);
 509   dst.sin_addr = dummy;
 510
 511   if (-1 == (icmpsock = make_icmp_socket()))
 512     return 1;
 513   if (-1 == (rawsock = make_raw_socket()))
 514     {
 515       close (icmpsock);
 516       return 1;
 517     }
 518   for (i=0;i<NUM_UDP_PORTS;i++)
 519     udpsocks[i] = make_udp_socket (&udpports[i]);
 520   pos = 0;
 521   while (1)
 522     {
 523       FD_ZERO (&rs);
 524       FD_SET (icmpsock, &rs);
 525       tv.tv_sec = 0;
 526       tv.tv_usec = UDP_SEND_FREQUENCY_MS * 1000;
 527       select (icmpsock + 1, &rs, NULL, NULL, &tv);
 528       /* FIXME: do I need my external IP here? */
 529       if (FD_ISSET (icmpsock, &rs))
 530         {
 531           process_icmp_response (&external, icmpsock);
 532           continue;
 533         }
 534       fprintf (stderr,
 535                "Sending UDP message to %s:%u\n",
 536                argv[3],
 537                NAT_TRAV_PORT);
 538       if (-1 == sendto (udpsocks[pos],
 539                         NULL, 0, 0,
 540                         (struct sockaddr*) &dst, sizeof (dst)))
 541         {
 542           fprintf (stderr,
 543                    "sendto failed: %s\n",
 544                    strerror (errno));
 545           close (udpsocks[pos]);
 546           udpsocks[pos] = make_udp_socket (&udpports[pos]);
 547         }
 548       p = make_port ();
 549       fprintf (stderr,
 550                "Sending fake ICMP message to %s with port %u\n",
 551                argv[1],
 552                p);
 553       send_icmp (&external,
 554                  &target,
 555                  p,
 556                  0);
 557       pos = (pos+1) % NUM_UDP_PORTS;
 558     }
 559   return 0;
 560 }
 561
 562
 563 /* end of gnunet-nat-client.c */