最近，我在研究一个小项目，该项目旨在通过 Python 实现一些小型计算机网络协议的简化版本，以此直观展示计算机网络的工作原理。今天，我想与大家分享项目的第一步：如何在 Python 中发送网络数据包。

一、网络数据包概览

网络数据包本质上是一个字节字符串。例如，TCP 连接中的首个数据包可能如下所示：

b'E\x00\x00,\x00\x01\x00\x00@\x06\x00\xc4\xc0\x00\x02\x02"\xc2\x95Cx\x0c\x00P\xf4p\x98\x8b\x00\x00\x00\x00`\x02\xff\xff\x18\xc6\x00\x00\x02\x04\x05\xb4'

尽管本文不深入探讨该字节字符串的结构，但值得注意的是，它由两部分组成：前 20 个字节为 IP 层，其余为 TCP 层。发送网络数据包的核心在于能够发送和接收字节字符串。

二、为何选择 tun/tap？

在 Linux（或其他操作系统）上构建自定义 TCP 实现面临一个挑战：Linux 内核已内置 TCP 协议栈。若直接在正常网络接口上向 example.com 发送 SYN 数据包，将会遇到以下问题：

1. 发送 SYN 数据包至 example.com?。
2. ?example.com? 回复 SYN-ACK。
3. Linux 内核接收到 SYN-ACK 后，因未建立对应连接而关闭连接。
4. 自定义实现无法建立 TCP 连接。

为解决此问题，朋友向我推荐了 tun/tap。尽管起初我花费了数小时才掌握其用法，但我认为值得分享这段经历。

三、tun/tap：虚拟网络设备

可将 tun/tap 视为网络中的一台小型计算机，负责发送和接收数据包。然而，这并非真实计算机，而是用 Python 编写的程序。尽管我无法深入解释 tun/tap 与 Linux 网络栈的交互机制，但“虚拟网络设备”这一表述或能概括其功能。以下代码示例将进一步阐明其工作原理。

四、tun 与 tap 的区别

tun/tap 系统允许创建两种网络接口：

1. tun：处理 IP 层数据包。
2. tap：处理以太网层数据包。

本文将使用 tun 接口，因我已掌握其使用方法。tap 接口或同样适用。

五、创建 tun 接口

以下命令将在 Linux 上创建一个 IP 地址为 192.0.2.2 的 tun 接口：

sudo ip tuntap add name tun0 mode tun user $USER  
sudo ip link set tun0 up  
sudo ip addr add 192.0.2.1 peer 192.0.2.2 dev tun0  
  
sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.0.2.2 -j MASQUERADE  
sudo iptables -A FORWARD -i tun0 -s 192.0.2.2 -j ACCEPT  
sudo iptables -A FORWARD -o tun0 -d 192.0.2.2 -j ACCEPT

这些命令执行了两项任务：

1. 创建 tun 设备，并赋予用户写入权限。
2. 配置 iptables，使用 NAT 将 tun 设备的数据包代理至互联网。

?iptables? 配置至关重要，因为否则数据包将仅存在于本地计算机内，无法发送至互联网。

六、Python 连接 tun 接口

以下函数用于打开 tun 接口：

import struct  
from fcntl import ioctl  
  
def openTun(tunName):  
    tun = open("/dev/net/tun", "r+b", buffering=0)  
    LINUX_IFF_TUN = 0x0001  
    LINUX_IFF_NO_PI = 0x1000  
    LINUX_TUNSETIFF = 0x400454CA  
    flags = LINUX_IFF_TUN | LINUX_IFF_NO_PI  
    ifs = struct.pack("16sH22s", tunName.encode(), flags, b"")  
    ioctl(tun, LINUX_TUNSETIFF, ifs)  
    return tun

该函数执行以下操作：

1. 以二进制模式打开 /dev/net/tun?。
2. 使用 ioctl? 调用请求 Linux 分配一个名为 tunName? 的 tun 设备。

一旦打开，即可像操作其他 Python 文件一样对 tun 接口进行读写。

七、发送 SYN 数据包

现在，使用 openTun? 函数发送 SYN 数据包：

syn = b'E\x00\x00,\x00\x01\x00\x00@\x06\x00\xc4\xc0\x00\x02\x02"\xc2\x95Cx\x0c\x00P\xf4p\x98\x8b\x00\x00\x00\x00`\x02\xff\xff\x18\xc6\x00\x00\x02\x04\x05\xb4'  
tun = openTun(b"tun0")  
tun.write(syn)  
reply = tun.read(1024)  
print(repr(reply))

以 sudo python3 syn.py? 运行该程序，将打印出 example.com? 的回复。

八、使用 tcpdump 监控数据包

在 tun0? 接口上运行 tcpdump?，可查看发送和接收的数据包：

$ sudo tcpdump -ni tun0  
12:51:01.905933 IP 192.0.2.2.30732 > 34.194.149.67.80: Flags [S], seq 4101019787, win 65535, options [mss 1460], length 0  
12:51:01.932178 IP 34.194.149.67.80 > 192.0.2.2.30732: Flags [S.], seq 3300937416, ack 4101019788, win 64480, options [mss 1240], length 0

?Flags [S]? 表示发送的 SYN 数据包，Flags [S.]? 表示接收的 SYN-ACK 数据包。成功实现通信，且未受 Linux 网络栈干扰。

九、tcpdump 展示 NAT 工作原理

在真实网络接口（如 wlp3s0?）上运行 tcpdump?，可查看 NAT 如何工作：

$ sudo tcpdump -ni wlp3s0 host 34.194.149.67  
tcpdump: verbose output suppressed, use -v[v]... for full protocol decode  
listening on wlp3s0, link-type EN10MB (Ethernet), snapshot length 262144 bytes  
12:56:01.204382 IP 192.168.1.181.30732 > 34.194.149.67.80: Flags [S], seq 4101019787, win 65535, options [mss 1460], length 0  
12:56:01.228239 IP 34.194.149.67.80 > 192.168.1.181.30732: Flags [S.], seq 144769955, ack 4101019788, win 64480, options [mss 1240], length 0

注意以下几点：

1. IP 地址通过 NAT 从 192.0.2.2? 重写为 192.168.1.181?。
2. ?example.com? 发送多个 SYN-ACK 回复，因未完成 TCP 握手。
3. 添加 host 34.194.149.67? 以过滤无关数据包。

十、代码部分

以下是本文所涉及的代码段，供您自行尝试与实践：

# 请以 root 用户执行以下脚本，其中包含多个 sudo 命令  
bash setup.sh  
  
# 随后，以普通用户身份运行 Python 脚本  
python3 syn.py  
  
# 在 Linux 系统中配置 tun/tap 设备  
sudo ip tuntap add name tun0 mode tun user $USER  
sudo ip link set tun0 up  
sudo ip addr add 192.0.2.1 peer 192.0.2.2 dev tun0  
  
# 配置 IP 转发规则  
sudo iptables -t nat -A POSTROUTING -s 192.0.2.2 -j MASQUERADE  
sudo iptables -A FORWARD -i tun0 -s 192.0.2.2 -j ACCEPT  
sudo iptables -A FORWARD -o tun0 -d 192.0.2.2 -j ACCEPT

# 发送 SYN 数据包到 `example.com`
import struct
from fcntl import ioctl


def openTun(tunName):
    tun = open("/dev/net/tun", "r+b", buffering=0)
    LINUX_IFF_TUN = 0x0001
    LINUX_IFF_NO_PI = 0x1000
    LINUX_TUNSETIFF = 0x400454CA
    flags = LINUX_IFF_TUN | LINUX_IFF_NO_PI
    ifs = struct.pack("16sH22s", tunName, flags, b"")
    ioctl(tun, LINUX_TUNSETIFF, ifs)
    return tun


syn = b'E\x00\x00,\x00\x01\x00\x00@\x06\x00\xc4\xc0\x00\x02\x02"\xc2\x95Cx\x0c\x00P\xf4p\x98\x8b\x00\x00\x00\x00`\x02\xff\xff\x18\xc6\x00\x00\x02\x04\x05\xb4'
tun = openTun(b"tun0")
tun.write(syn)
reply = tun.read(1024)
print(repr(reply))

请注意，上述代码仅在 Linux 系统上有效。不过，Mac 系统也支持设置 tun/tap 设备，尽管方法可能有所不同。