src/transport/gnunet-nat-server.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-server.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
  68   uint8_t vers_ihl;
  69   uint8_t tos;
  70   uint16_t pkt_len;
  71   uint16_t id;
  72   uint16_t flags_frag_offset;
  73   uint8_t ttl;
  74   uint8_t proto;
  75   uint16_t checksum;
  76   uint32_t src_ip;
  77   uint32_t dst_ip;
  78 };
  79
  80 struct icmp_packet
  81 {
  82   uint8_t type;
  83   uint8_t code;
  84   uint16_t checksum;
  85   uint32_t reserved;
  86 };
  87
  88 struct udp_packet
  89 {
  90   uint16_t source_port;
  91   uint16_t dst_port;
  92   uint16_t mlen_aka_reply_port_magic;
  93   uint16_t checksum_aka_my_magic;
  94 };
  95
  96
  97 /**
  98  * Structure of the data we tack on to the fake ICMP reply
  99  * (last 4 bytes of the 64 bytes).
 100  */
 101 struct extra_packet
 102 {
 103   /**
 104    * if this is a reply to an icmp, what was the 'my_magic'
 105    * value from the original icmp?
 106    */
 107   uint16_t reply_port_magic;
 108
 109   /**
 110    * magic value of the sender of this icmp message.
 111    */
 112   uint16_t my_magic;
 113 };
 114
 115 static int udpsocks[NUM_UDP_PORTS];
 116
 117 static uint16_t udpports[NUM_UDP_PORTS];
 118
 119 static int icmpsock;
 120
 121 static int rawsock;
 122
 123 static struct in_addr dummy;
 124
 125
 126 /**
 127  * create a random port number that is not totally
 128  * unlikely to be chosen by the nat box.
 129  */
 130 static uint16_t make_port ()
 131 {
 132   return 1024 + ( (unsigned int)rand ()) % (63 * 1024 - 2);
 133 }
 134
 135
 136 /**
 137  * create a fresh udp socket bound to a random local port.
 138  */
 139 static int
 140 make_udp_socket (uint16_t *port)
 141 {
 142   int ret;
 143   int tries;
 144   struct sockaddr_in src;
 145
 146   for (tries=0;tries<MAX_TRIES;tries++)
 147     {
 148       ret = socket (AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 149       if (-1 == ret)
 150         {
 151           fprintf (stderr,
 152                    "Error opening udp socket: %s\n",
 153                    strerror (errno));
 154           return -1;
 155         }
 156       if (ret >= FD_SETSIZE)
 157         {
 158           fprintf (stderr,
 159                    "Socket number too large (%d > %u)\n",
 160                    ret,
 161                    (unsigned int) FD_SETSIZE);
 162           close (ret);
 163           return -1;
 164         }
 165       memset (&src, 0, sizeof (src));
 166       src.sin_family = AF_INET;
 167       src.sin_port = htons (make_port ());
 168       if (0 != bind (ret, (struct sockaddr*) &src, sizeof (src)))
 169         {
 170           close (ret);
 171           continue;
 172         }
 173       *port = ntohs (src.sin_port);
 174       return ret;
 175     }
 176   fprintf (stderr,
 177            "Error binding udp socket: %s\n",
 178            strerror (errno));
 179   return -1;
 180 }
 181
 182
 183 static uint16_t
 184 calc_checksum(const uint16_t *data,
 185               unsigned int bytes)
 186 {
 187   uint32_t sum;
 188   unsigned int i;
 189
 190   sum = 0;
 191   for (i=0;i<bytes/2;i++)
 192     sum += data[i];
 193   sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
 194   sum = htons(0xffff - sum);
 195   return sum;
 196 }
 197
 198
 199 /**
 200  * send an icmp message to the target.
 201  *
 202  * @param my_ip source address (our ip address)
 203  * @param other target address
 204  * @param target_port_number fake port number to put into icmp response
 205  *                           as well as the icmpextradata as 'my_magic'
 206  * @param source_port_number magic_number that enables the other peer to
 207  *                           identify our port number ('reply in response to') to
 208  *                           put in the data portion; 0 if we are initiating;
 209  *                           goes into 'reply_port_magic' of the icmpextradata
 210  */
 211 static void
 212 send_icmp (const struct in_addr *my_ip,
 213            const struct in_addr *other,
 214            uint16_t target_port_number,
 215            uint16_t source_port_number)
 216 {
 217   struct ip_packet ip_pkt;
 218   struct icmp_packet icmp_pkt;
 219   struct udp_packet udp_pkt;
 220   struct sockaddr_in dst;
 221   char packet[sizeof (ip_pkt) + sizeof (icmp_pkt) + sizeof (udp_pkt)];
 222   size_t off;
 223   int err;
 224
 225   /* ip header: send to (known) ip address */
 226   off = 0;
 227   memset(&ip_pkt, 0, sizeof(ip_pkt));
 228   ip_pkt.vers_ihl = 0x45;//|(pkt_len>>2);//5;//(ipversion << 4) | (iphdr_size >> 2);
 229   ip_pkt.tos = 0;
 230   ip_pkt.pkt_len = sizeof (packet); /* huh? */
 231   ip_pkt.id = 1; /* kernel will change anyway!? */
 232   ip_pkt.flags_frag_offset = 0;
 233   ip_pkt.ttl = IPDEFTTL;
 234   ip_pkt.proto = IPPROTO_ICMP;
 235   ip_pkt.checksum = 0; /* maybe the kernel helps us out..? */
 236   ip_pkt.src_ip = my_ip->s_addr;
 237   ip_pkt.dst_ip = other->s_addr;
 238   ip_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&ip_pkt, sizeof (ip_pkt)));
 239   memcpy (packet, &ip_pkt, sizeof (ip_pkt));
 240   off += sizeof (ip_pkt);
 241
 242   /* icmp reply: time exceeded */
 243   memset(&icmp_pkt, 0, sizeof(icmp_pkt));
 244   icmp_pkt.type = ICMP_TIME_EXCEEDED;
 245   icmp_pkt.code = ICMP_NET_UNREACH;
 246   icmp_pkt.reserved = 0;
 247   icmp_pkt.checksum = 0;
 248   icmp_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&icmp_pkt, sizeof (icmp_pkt)));
 249   memcpy (&packet[off], &icmp_pkt, sizeof (icmp_pkt));
 250   off += sizeof (icmp_pkt);
 251
 252   /* ip header of the presumably 'lost' udp packet */
 253   memset(&ip_pkt, 0, sizeof (ip_pkt));
 254   ip_pkt.vers_ihl = 0x45;
 255   ip_pkt.tos = 0;
 256   /* no idea why i need to shift the bits here, but not on ip_pkt->pkt_len... */
 257   ip_pkt.pkt_len = (sizeof (ip_pkt) + sizeof (icmp_pkt)) << 8;
 258   ip_pkt.id = 1; /* kernel sets proper value htons(ip_id_counter); */
 259   ip_pkt.flags_frag_offset = 0;
 260   ip_pkt.ttl = 1; /* real TTL would be 1 on a time exceeded packet */
 261   ip_pkt.proto = IPPROTO_UDP;
 262   ip_pkt.src_ip = other->s_addr;
 263   ip_pkt.dst_ip = dummy.s_addr;
 264   ip_pkt.checksum = 0;
 265   ip_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&ip_pkt, sizeof (ip_pkt)));
 266   memcpy (&packet[off], &ip_pkt, sizeof (ip_pkt));
 267   off += sizeof (ip_pkt);
 268
 269   memset(&udp_pkt, 0, sizeof (udp_pkt));
 270   udp_pkt.source_port = htons (target_port_number); /* this one will be re-written by NAT */
 271   udp_pkt.dst_port = htons (NAT_TRAV_PORT);
 272   udp_pkt.mlen_aka_reply_port_magic = htons (source_port_number);
 273   udp_pkt.checksum_aka_my_magic = htons (target_port_number); /* this one should be bounced back to me as 'reply_port_magic' */
 274   memcpy (&packet[off], &udp_pkt, sizeof (udp_pkt));
 275   off += sizeof (udp_pkt);
 276
 277   memset (&dst, 0, sizeof (dst));
 278   dst.sin_family = AF_INET;
 279   dst.sin_addr = *other;
 280   err = sendto(rawsock,
 281                packet,
 282                off, 0,
 283                (struct sockaddr*)&dst,
 284                sizeof(dst)); /* or sizeof 'struct sockaddr'? */
 285   if (err < 0) {
 286     fprintf(stderr,
 287             "sendto failed: %s\n", strerror(errno));
 288   } else if (err != off)
 289     fprintf(stderr,
 290             "Error: partial send of ICMP message\n");
 291 }
 292
 293
 294 /**
 295  * We discovered the IP address of the other peer.
 296  * Try to connect back to it.
 297  */
 298 static void
 299 try_connect (const struct in_addr *my_ip,
 300              const struct in_addr *other,
 301              uint16_t port_magic)
 302 {
 303   unsigned int i;
 304   char sbuf [INET_ADDRSTRLEN];
 305
 306   fprintf (stderr,
 307            "Sending %u ICMPs to `%s' with reply magic %u\n",
 308            NUM_UDP_PORTS,
 309            inet_ntop (AF_INET,
 310                       other,
 311                       sbuf,
 312                       sizeof (sbuf)),
 313            port_magic);
 314   for (i=0;i<NUM_UDP_PORTS;i++)
 315     send_icmp (my_ip, other, make_port(), port_magic);
 316 }
 317
 318
 319 static void
 320 process_icmp_response (const struct in_addr *my_ip,
 321                        int s)
 322 {
 323   char buf[65536];
 324   ssize_t have;
 325   struct in_addr sip;
 326   uint16_t my_magic;
 327   uint16_t reply_magic;
 328   uint16_t local_port;
 329   struct ip_packet ip_pkt;
 330   struct icmp_packet icmp_pkt;
 331   struct udp_packet udp_pkt;
 332   size_t off;
 333
 334   have = read (s, buf, sizeof (buf));
 335   if (have == -1)
 336     {
 337       fprintf (stderr,
 338                "Error reading raw socket: %s\n",
 339                strerror (errno));
 340       /* What now? */
 341       return;
 342     }
 343   if (have != 2 * sizeof (struct ip_packet) + sizeof (struct icmp_packet) +
 344       sizeof (struct udp_packet))
 345     {
 346       fprintf (stderr,
 347                "Received ICMP message of unexpected size: %u bytes\n",
 348                (unsigned int) have);
 349       return;
 350     }
 351   off = 0;
 352   memcpy (&ip_pkt, &buf[off], sizeof (ip_pkt));
 353   off += sizeof (ip_pkt);
 354   memcpy (&icmp_pkt, &buf[off], sizeof (icmp_pkt));
 355   off += sizeof (icmp_pkt);
 356   off += sizeof (ip_pkt);
 357   memcpy (&udp_pkt, &buf[off], sizeof (udp_pkt));
 358   off += sizeof (struct udp_packet);
 359
 360   if ( (ip_pkt.proto == IPPROTO_ICMP) &&
 361        (icmp_pkt.type == ICMP_DEST_UNREACH) &&
 362        (icmp_pkt.code == ICMP_HOST_UNREACH) )
 363     {
 364       /* this is what is normal due to our UDP traffic */
 365       return;
 366     }
 367   if ( (ip_pkt.proto != IPPROTO_ICMP) ||
 368        (icmp_pkt.type != ICMP_TIME_EXCEEDED) ||
 369        (icmp_pkt.code != ICMP_NET_UNREACH) )
 370     {
 371       /* Note the expected client response and not the normal network response */
 372       fprintf (stderr,
 373                "Received unexpected ICMP message contents (%u, %u, %u), ignoring\n",
 374                ip_pkt.proto,
 375                icmp_pkt.type,
 376                icmp_pkt.code);
 377       return;
 378     }
 379   memcpy(&sip, &ip_pkt.src_ip, sizeof (sip));
 380   reply_magic = ntohs (udp_pkt.checksum_aka_my_magic);
 381   my_magic = ntohs (udp_pkt.mlen_aka_reply_port_magic);
 382   local_port = ntohs (udp_pkt.source_port);
 383   fprintf (stderr,
 384            "Received ICMP from `%s' with outgoing port %u, listen port %u and incoming port hint for other peer %u\n",
 385            inet_ntop (AF_INET,
 386                       &sip,
 387                       buf,
 388                       sizeof (buf)),
 389            my_magic,
 390            local_port,
 391            reply_magic);
 392   if (my_magic == 0)
 393     {
 394       try_connect (my_ip, &sip, reply_magic);
 395     }
 396   else
 397     {
 398       /* FIXME: should close 'local_port' */
 399       printf ("%s:%u listen on %u\n",
 400               inet_ntop (AF_INET,
 401                          &sip,
 402                          buf,
 403                          sizeof(buf)),
 404               my_magic,
 405               local_port);
 406     }
 407 }
 408
 409
 410 static int
 411 make_icmp_socket ()
 412 {
 413   int ret;
 414
 415   ret = socket (AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
 416   if (-1 == ret)
 417     {
 418       fprintf (stderr,
 419                "Error opening RAW socket: %s\n",
 420                strerror (errno));
 421       return -1;
 422     }
 423   if (ret >= FD_SETSIZE)
 424     {
 425       fprintf (stderr,
 426                "Socket number too large (%d > %u)\n",
 427                ret,
 428                (unsigned int) FD_SETSIZE);
 429       close (ret);
 430       return -1;
 431     }
 432   return ret;
 433 }
 434
 435
 436 static int
 437 make_raw_socket ()
 438 {
 439   const int one = 1;
 440   int ret;
 441
 442   ret = socket (AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_RAW);
 443   if (-1 == ret)
 444     {
 445       fprintf (stderr,
 446                "Error opening RAW socket: %s\n",
 447                strerror (errno));
 448       return -1;
 449     }
 450   if (ret >= FD_SETSIZE)
 451     {
 452       fprintf (stderr,
 453                "Socket number too large (%d > %u)\n",
 454                ret,
 455                (unsigned int) FD_SETSIZE);
 456       close (ret);
 457       return -1;
 458     }
 459   if (setsockopt(ret, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST,
 460                  (char *)&one, sizeof(one)) == -1)
 461     fprintf(stderr,
 462             "setsockopt failed: %s\n",
 463             strerror (errno));
 464   if (setsockopt(ret, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL,
 465                  (char *)&one, sizeof(one)) == -1)
 466     fprintf(stderr,
 467             "setsockopt failed: %s\n",
 468             strerror (errno));
 469   return ret;
 470 }
 471
 472
 473 int
 474 main (int argc, char *const *argv)
 475 {
 476   struct in_addr external;
 477   unsigned int i;
 478   unsigned int pos;
 479   fd_set rs;
 480   struct timeval tv;
 481   struct sockaddr_in dst;
 482
 483   if (argc != 3)
 484     {
 485       fprintf (stderr,
 486                "This program must be started with our external IP and the dummy IP address as arguments.\n");
 487       return 1;
 488     }
 489   if ( (1 != inet_pton (AF_INET, argv[1], &external)) ||
 490        (1 != inet_pton (AF_INET, argv[2], &dummy)) )
 491     {
 492       fprintf (stderr,
 493                "Error parsing IPv4 address: %s\n",
 494                strerror (errno));
 495       return 1;
 496     }
 497   memset (&dst, 0, sizeof (dst));
 498   dst.sin_family = AF_INET;
 499   dst.sin_port = htons (NAT_TRAV_PORT);
 500   dst.sin_addr = dummy;
 501
 502   if (-1 == (icmpsock = make_icmp_socket()))
 503     return 1;
 504   if (-1 == (rawsock = make_raw_socket()))
 505     {
 506       close (icmpsock);
 507       return 1;
 508     }
 509   for (i=0;i<NUM_UDP_PORTS;i++)
 510     udpsocks[i] = make_udp_socket (&udpports[i]);
 511   pos = 0;
 512   while (1)
 513     {
 514       FD_ZERO (&rs);
 515       FD_SET (icmpsock, &rs);
 516       tv.tv_sec = 0;
 517       tv.tv_usec = UDP_SEND_FREQUENCY_MS * 1000;
 518       select (icmpsock + 1, &rs, NULL, NULL, &tv);
 519       /* FIXME: do I need my external IP here? */
 520       if (FD_ISSET (icmpsock, &rs))
 521         {
 522           process_icmp_response (&external, icmpsock);
 523           continue;
 524         }
 525       fprintf (stderr,
 526                "Sending UDP message to %s:%u\n",
 527                argv[2],
 528                NAT_TRAV_PORT);
 529
 530       if (-1 == sendto (udpsocks[pos],
 531                         NULL, 0, 0,
 532                         (struct sockaddr*) &dst, sizeof (dst)))
 533         {
 534           fprintf (stderr,
 535                    "sendto failed: %s\n",
 536                    strerror (errno));
 537           close (udpsocks[pos]);
 538           udpsocks[pos] = make_udp_socket (&udpports[pos]);
 539         }
 540       pos = (pos+1) % NUM_UDP_PORTS;
 541     }
 542   return 0;
 543 }
 544
 545
 546 /* end of gnunet-nat-server.c */