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 50
  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 struct in_addr dummy;
 122
 123
 124 /**
 125  * create a random port number that is not totally
 126  * unlikely to be chosen by the nat box.
 127  */
 128 static uint16_t make_port ()
 129 {
 130   return 1024 + ( (unsigned int)rand ()) % (63 * 1024 - 2);
 131 }
 132
 133
 134 /**
 135  * create a fresh udp socket bound to a random local port.
 136  */
 137 static int
 138 make_udp_socket (uint16_t *port)
 139 {
 140   int ret;
 141   int tries;
 142   struct sockaddr_in src;
 143
 144   for (tries=0;tries<MAX_TRIES;tries++)
 145     {
 146       ret = socket (AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
 147       if (-1 == ret)
 148         {
 149           fprintf (stderr,
 150                    "Error opening udp socket: %s\n",
 151                    strerror (errno));
 152           return -1;
 153         }
 154       if (ret >= FD_SETSIZE)
 155         {
 156           fprintf (stderr,
 157                    "Socket number too large (%d > %u)\n",
 158                    ret,
 159                    (unsigned int) FD_SETSIZE);
 160           close (ret);
 161           return -1;
 162         }
 163       memset (&src, 0, sizeof (src));
 164       src.sin_family = AF_INET;
 165       src.sin_port = htons (make_port ());
 166       if (0 != bind (ret, (struct sockaddr*) &src, sizeof (src)))
 167         {
 168           close (ret);
 169           continue;
 170         }
 171       *port = ntohs (src.sin_port);
 172       return ret;
 173     }
 174   fprintf (stderr,
 175            "Error binding udp socket: %s\n",
 176            strerror (errno));
 177   return -1;
 178 }
 179
 180
 181 static uint16_t
 182 calc_checksum(const uint16_t *data,
 183               unsigned int bytes)
 184 {
 185   uint32_t sum;
 186   unsigned int i;
 187
 188   sum = 0;
 189   for (i=0;i<bytes/2;i++)
 190     sum += data[i];
 191   sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
 192   sum = htons(0xffff - sum);
 193   return sum;
 194 }
 195
 196
 197 /**
 198  * send an icmp message to the target.
 199  *
 200  * @param my_ip source address (our ip address)
 201  * @param other target address
 202  * @param target_port_number fake port number to put into icmp response
 203  *                           as well as the icmpextradata as 'my_magic'
 204  * @param source_port_number magic_number that enables the other peer to
 205  *                           identify our port number ('reply in response to') to
 206  *                           put in the data portion; 0 if we are initiating;
 207  *                           goes into 'reply_port_magic' of the icmpextradata
 208  */
 209 static void
 210 send_icmp (const struct in_addr *my_ip,
 211            const struct in_addr *other,
 212            uint16_t target_port_number,
 213            uint16_t source_port_number)
 214 {
 215   struct ip_packet ip_pkt;
 216   struct icmp_packet icmp_pkt;
 217   struct udp_packet udp_pkt;
 218   struct sockaddr_in dst;
 219   char packet[sizeof (ip_pkt) + sizeof (icmp_pkt) + sizeof (udp_pkt)];
 220   char sbuf [INET_ADDRSTRLEN];
 221   size_t off;
 222   int err;
 223
 224   fprintf (stderr,
 225            "Sending ICMP to `%s' at %u with reply magic %u\n",
 226            inet_ntop (AF_INET,
 227                       other,
 228                       sbuf,
 229                       sizeof (sbuf)),
 230            target_port_number,
 231            source_port_number);
 232   /* ip header: send to (known) ip address */
 233   off = 0;
 234   memset(&ip_pkt, 0, sizeof(ip_pkt));
 235   ip_pkt.vers_ihl = 0x45;//|(pkt_len>>2);//5;//(ipversion << 4) | (iphdr_size >> 2);
 236   ip_pkt.tos = 0;
 237   ip_pkt.pkt_len = sizeof (packet); /* huh? */
 238   ip_pkt.id = 1; /* kernel will change anyway!? */
 239   ip_pkt.flags_frag_offset = 0;
 240   ip_pkt.ttl = IPDEFTTL;
 241   ip_pkt.proto = IPPROTO_ICMP;
 242   ip_pkt.checksum = 0; /* maybe the kernel helps us out..? */
 243   ip_pkt.src_ip = my_ip->s_addr;
 244   ip_pkt.dst_ip = other->s_addr;
 245   ip_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&ip_pkt, sizeof (ip_pkt)));
 246   memcpy (packet, &ip_pkt, sizeof (ip_pkt));
 247   off += sizeof (ip_pkt);
 248
 249   /* icmp reply: time exceeded */
 250   memset(&icmp_pkt, 0, sizeof(icmp_pkt));
 251   icmp_pkt.type = ICMP_TIME_EXCEEDED;
 252   icmp_pkt.code = ICMP_NET_UNREACH;
 253   icmp_pkt.reserved = 0;
 254   icmp_pkt.checksum = 0;
 255   icmp_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&icmp_pkt, sizeof (icmp_pkt)));
 256   memcpy (&packet[off], &icmp_pkt, sizeof (icmp_pkt));
 257   off += sizeof (icmp_pkt);
 258
 259   /* ip header of the presumably 'lost' udp packet */
 260   memset(&ip_pkt, 0, sizeof (ip_pkt));
 261   ip_pkt.vers_ihl = 0x45;
 262   ip_pkt.tos = 0;
 263   /* no idea why i need to shift the bits here, but not on ip_pkt->pkt_len... */
 264   ip_pkt.pkt_len = (sizeof (ip_pkt) + sizeof (icmp_pkt)) << 8;
 265   ip_pkt.id = 1; /* kernel sets proper value htons(ip_id_counter); */
 266   ip_pkt.flags_frag_offset = 0;
 267   ip_pkt.ttl = 1; /* real TTL would be 1 on a time exceeded packet */
 268   ip_pkt.proto = IPPROTO_UDP;
 269   ip_pkt.src_ip = other->s_addr;
 270   ip_pkt.dst_ip = dummy.s_addr;
 271   ip_pkt.checksum = 0;
 272   ip_pkt.checksum = htons(calc_checksum((uint16_t*)&ip_pkt, sizeof (ip_pkt)));
 273   memcpy (&packet[off], &ip_pkt, sizeof (ip_pkt));
 274   off += sizeof (ip_pkt);
 275
 276   memset(&udp_pkt, 0, sizeof (udp_pkt));
 277   udp_pkt.source_port = htons (target_port_number);
 278   udp_pkt.dst_port = htons (NAT_TRAV_PORT);
 279   udp_pkt.mlen_aka_reply_port_magic = htons (source_port_number);
 280   udp_pkt.checksum_aka_my_magic = htons (target_port_number);
 281   memcpy (&packet[off], &udp_pkt, sizeof (udp_pkt));
 282   off += sizeof (udp_pkt);
 283
 284   memset (&dst, 0, sizeof (dst));
 285   dst.sin_family = AF_INET;
 286   dst.sin_addr = *other;
 287   err = sendto(icmpsock,
 288                packet,
 289                off, 0,
 290                (struct sockaddr*)&dst,
 291                sizeof(dst)); /* or sizeof 'struct sockaddr'? */
 292   if (err < 0) {
 293     fprintf(stderr,
 294             "sendto failed: %s\n", strerror(errno));
 295   } else if (err != off)
 296     fprintf(stderr,
 297             "Error: partial send of ICMP message\n");
 298 }
 299
 300
 301 /**
 302  * We discovered the IP address of the other peer.
 303  * Try to connect back to it.
 304  */
 305 static void
 306 try_connect (const struct in_addr *my_ip,
 307              const struct in_addr *other,
 308              uint16_t port_magic)
 309 {
 310   unsigned int i;
 311
 312   for (i=0;i<NUM_UDP_PORTS;i++)
 313     send_icmp (my_ip, other, make_port(), port_magic);
 314 }
 315
 316
 317 static void
 318 process_icmp_response (const struct in_addr *my_ip,
 319                        int s)
 320 {
 321   char buf[65536];
 322   ssize_t have;
 323   struct in_addr sip;
 324   uint16_t my_magic;
 325   uint16_t reply_magic;
 326   struct ip_packet ip_pkt;
 327   struct icmp_packet icmp_pkt;
 328   struct udp_packet udp_pkt;
 329   size_t off;
 330
 331   have = read (s, buf, sizeof (buf));
 332   if (have == -1)
 333     {
 334       fprintf (stderr,
 335                "Error reading raw socket: %s\n",
 336                strerror (errno));
 337       /* What now? */
 338       return;
 339     }
 340   if (have < sizeof (struct ip_packet) + sizeof (struct icmp_packet) +
 341       sizeof (struct udp_packet))
 342     {
 343       fprintf (stderr,
 344                "Received invalid ICMP message: only %u bytes\n",
 345                (unsigned int) have);
 346       return;
 347     }
 348   off = 0;
 349   memcpy (&ip_pkt, &buf[off], sizeof (ip_pkt));
 350   off += sizeof (ip_pkt);
 351   memcpy (&icmp_pkt, &buf[off], sizeof (icmp_pkt));
 352   off += sizeof (icmp_pkt);
 353   memcpy (&udp_pkt, &buf[off], sizeof (udp_pkt));
 354   off += sizeof (struct udp_packet);
 355
 356   /* If not ICMP and not TTL exceeded */
 357   if ( (ip_pkt.proto != IPPROTO_ICMP) ||
 358        (icmp_pkt.type != ICMP_TIME_EXCEEDED) ||
 359        (icmp_pkt.code != ICMP_NET_UNREACH) )
 360     {
 361       fprintf (stderr,
 362                "Received unexpected ICMP message contents, ignoring\n");
 363       return;
 364     }
 365   memcpy(&sip, &ip_pkt.src_ip, sizeof (sip));
 366   my_magic = ntohs (udp_pkt.checksum_aka_my_magic);
 367   reply_magic = ntohs (udp_pkt.mlen_aka_reply_port_magic);
 368   fprintf (stderr,
 369            "Received ICMP from `%s' with hints %u and %u\n",
 370            inet_ntop (AF_INET,
 371                       &sip,
 372                       buf,
 373                       sizeof (buf)),
 374            my_magic,
 375            reply_magic);
 376   if (my_magic == 0)
 377     {
 378       try_connect (my_ip, &sip, reply_magic);
 379     }
 380   else
 381     {
 382       printf ("%s:%u\n",
 383               inet_ntop (AF_INET,
 384                          &sip,
 385                          buf,
 386                          sizeof(buf)),
 387               my_magic);
 388     }
 389 }
 390
 391
 392 static int
 393 make_icmp_socket ()
 394 {
 395   const int one = 1;
 396   int ret;
 397
 398   ret = socket (AF_INET, SOCK_RAW, 0);
 399   if (-1 == ret)
 400     {
 401       fprintf (stderr,
 402                "Error opening RAW socket: %s\n",
 403                strerror (errno));
 404       return -1;
 405     }
 406   if (ret >= FD_SETSIZE)
 407     {
 408       fprintf (stderr,
 409                "Socket number too large (%d > %u)\n",
 410                ret,
 411                (unsigned int) FD_SETSIZE);
 412       close (ret);
 413       return -1;
 414     }
 415   if (setsockopt(ret, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST,
 416                  (char *)&one, sizeof(one)) == -1)
 417     fprintf(stderr,
 418             "setsockopt failed: %s\n",
 419             strerror (errno));
 420   if (setsockopt(ret, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL,
 421                  (char *)&one, sizeof(one)) == -1)
 422     fprintf(stderr,
 423             "setsockopt failed: %s\n",
 424             strerror (errno));
 425   return ret;
 426 }
 427
 428
 429 int
 430 main (int argc, char *const *argv)
 431 {
 432   struct in_addr external;
 433   unsigned int i;
 434   unsigned int pos;
 435   fd_set rs;
 436   struct timeval tv;
 437   struct sockaddr_in dst;
 438
 439   if (argc != 3)
 440     {
 441       fprintf (stderr,
 442                "This program must be started with our external IP and the dummy IP address as arguments.\n");
 443       return 1;
 444     }
 445   if ( (1 != inet_pton (AF_INET, argv[1], &external)) ||
 446        (1 != inet_pton (AF_INET, argv[2], &dummy)) )
 447     {
 448       fprintf (stderr,
 449                "Error parsing IPv4 address: %s\n",
 450                strerror (errno));
 451       return 1;
 452     }
 453   memset (&dst, 0, sizeof (dst));
 454   dst.sin_family = AF_INET;
 455   dst.sin_port = htons (NAT_TRAV_PORT);
 456   dst.sin_addr = dummy;
 457   if (-1 == (icmpsock = make_icmp_socket()))
 458     return 1;
 459   for (i=0;i<NUM_UDP_PORTS;i++)
 460     udpsocks[i] = make_udp_socket (&udpports[i]);
 461   pos = 0;
 462   while (1)
 463     {
 464       FD_ZERO (&rs);
 465       FD_SET (icmpsock, &rs);
 466       tv.tv_sec = 0;
 467       tv.tv_usec = UDP_SEND_FREQUENCY_MS * 1000 * 1000;
 468       select (icmpsock + 1, &rs, NULL, NULL, &tv);
 469       /* FIXME: do I need my external IP here? */
 470       if (FD_ISSET (icmpsock, &rs))
 471         process_icmp_response (&external, icmpsock);
 472       if (-1 == sendto (udpsocks[pos],
 473                         NULL, 0, 0,
 474                         (struct sockaddr*) &dst, sizeof (dst)))
 475         {
 476           fprintf (stderr,
 477                    "sendto failed: %s\n",
 478                    strerror (errno));
 479           close (udpsocks[pos]);
 480           udpsocks[pos] = make_udp_socket (&udpports[pos]);
 481         }
 482       pos = (pos+1) % NUM_UDP_PORTS;
 483     }
 484   return 0;
 485 }
 486
 487
 488 /* end of gnunet-nat-server.c */