使用raw socket发送magic packet

Magic Packet是进行网络唤醒的数据包，将这个数据包以广播的形式发到局域网上，与数据包中所关联的MAC相同的电脑就会被唤醒开机，通常我们都是使用UDP报文的形式来发送这个数据包，但实际上在进行网络唤醒的时候，只要报文中包含Magic Packet应该就可以唤醒相关的计算机，与IP协议、UDP协议没有任何关系，本文将试图抛开网络层(IP层)和传输层(TCP/UDP层)，直接在数据链路层发出Magic Packet，并成功实现网络唤醒，本文将提供完整的源代码。阅读本文需要有较好的网络编程基础，本文对网络编程的初学者有一定难度。

1. Magic Packet

我比较喜欢把这个数据包称作"网络唤醒包"；有很多地方把它翻译成"魔术包"或者"魔法数据包"，我个人觉着太过表面，无法表达其实际的含义；本文将这个数据包称为"网络唤醒包"或者"Magic Packet"，二者具有完全相同的含义；
以前写过一篇与嵌入式相关的文章《远程开机：一个简单的嵌入式项目开发》，在嵌入式环境下使用Magic Packet进行远程开机的小项目，有兴趣的读者可以参考；

Magic Packet 就是一个指定格式的数据包，其格式为：6 个 0xff，然后16组需要被网络唤醒的电脑的 MAC 地址，比如需要被唤醒的电脑的 MAC 为：00:e0:2b:69:00:03，则 Magic Packet 为(16进制表述)：

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ff ff ff ff ff ff 
00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 
00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 
00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 
00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 00 e0 2b 69 00 03 

关于 Magic Packet 的更多的信息请参考
- wikipidia-网络唤醒
- wikipedia-Wake-On-Lan
对Magic Packet也没有什么好解释的，理论上只要一个报文中存在这个Magic Packet，那么有网络唤醒功能的NIC都会相应，What is NIC? NIC就是网卡，Network Interface Controller；
但是大多数的 802.11 的无线网卡是收不到 Magic Packet 的，这一点在wikipedia-Wake-On-Lan上有明确的说明；所以不要尝试在无线网卡上做网络唤醒，但是有一个叫做WoWLAN的标准是专门支持无线网卡的网络唤醒的，以后有时间的时候试一下；
通常发送Magic Packet是使用UDP广播的方式发，这方面的文章很多，有兴趣的读者可以百个度或者谷个歌去找一下，我的另一篇文章《远程开机：一个简单的嵌入式项目开发》也是用这种方式发的，这里就不赘述了；

2. 相关技术要点

以下要点将会在本文的范例程序中用到，在此需要简单回顾以下。

TCP/IP的五层网络模型(OSI 七层架构的简化版)
1. 应用层
2. 传输层(TCP/UDP)
3. 网络层(IP)
4. 数据链路层(Ethernet)
5. 物理层
基于TCP/IP的数据报文的结构
- 一个基于TCP/IP的完整报文结构为：以太网报头 + IP报头 + TCP/UDP报头 + data，如下图：

以太网报头

以太网报头定义在头文件<linux/if_ether.h>中：

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struct ethhdr {
    unsigned char  h_dest[ETH_ALEN];    /* destination eth addr  */
    unsigned char  h_source[ETH_ALEN];  /* source ether addr  */
    __be16         h_proto;             /* packet type ID field  */
} __attribute__((packed));

h_dest字段为目的MAC地址，h_source字段为源MAC地址；
h_proto表示当前数据包在网络层使用的协议，Linux支持的协议在头文件<linux/if_ether.h>中定义；通常在网络层使用的IP协议，这个字段的值是0x0800(ETH_P_IP)；
但是本文中的 h_proto 字段要填写 0x842，很遗憾这个协议在头文件中没有定义，也基本找不到相关资料；

raw socket
- 可以参考我的另两篇文章《Linux下如何在数据链路层接收原始数据包》和《如何使用raw socket发送UDP报文》，这里仅做一个简单回顾；
- 打开一个raw socket
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  int sock_raw; sock_raw = socket(AF_PACKET, SOCK_RAW, 0);
- 第三个参数还可以有其它选择，这个参数往往会对socket的接收产生影响，本文并不接收任何信息，所以对本文来说无关紧要。

struct sockaddr_ll

这个结构在<linux/if_packet.h>中定义，有关该结构的详细说明请参考其它文章，本文仅就相关字段做出说明；

这个结构与 IPv4 socket 编程中的结构(struct sockaddr_in)的作用类似，是用在raw socket上的一个地址结构，烦请自行理解，其中’ll’表示Low Level

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struct sockaddr_ll {
    unsigned short  sll_family;
    __be16          sll_protocol;
    int             sll_ifindex;
    unsigned short  sll_hatype;     // Hardware Address Type
    unsigned char   sll_pkttype;    // Packet Type
    unsigned char   sll_halen;      // Hardware Address Length
    unsigned char   sll_addr[8];    // Address(Hardware Address)
};

sll_family为协议族，和建立raw socket是使用的协议族要一致，所以肯定是AF_PACKET；
sll_protocol是标准的以太网协议类型，定义在头文件<linux/if_ether.h>中，通常情况下应该 ETH_P_IP(0x800) 表示IP协议，本文要填 0x842；
sll_ifindex是网络接口的索引号，我们可以根据接口名称使用ioctl获得；
sll_halen是硬件地址(MAC)的长度，ha是Hardware Address的意思，填常数 ETH_ALEN(定义在头文件<linux/if_ether.h>中)；
sll_addr是目的MAC地址
实际上，在发送数据时，由于sll_family和sll_protocol都是和socket中一样的，所以大多数情况下都可以不填，只要填sll_ifindex、sll_halen和sll_addr即可，但是本文的例子中，如果使用bind()绑定地址，应该尽量完整地填写，否则执行bind()是会出错。

3. 在数据链路层发送Magic Packet

先说一下目标，通常使用UDP发送Magic Packet的报文结构为：以太网报头 + IP报头 + UDP报头 + Magic Packet，我们的目标是：以太网报头 + Magic Packet
先看源程序，文件名为：magic-packet.c(点击文件名下载源程序)
报文是以广播的形式发出去的，发送广播时，以太网报头的目的MAC要全部填写0xff，(struct sockaddr_ll)中的sll_addr也要全部填写0xff；
尽管我们知道目的MAC，但是这个报文必须以广播报文发出，因为此时被唤醒的机器并没有开机，所以无法通过arp获知填写的MAC地址是否在局域网内，所以如果在以太网报头的h_dest中填上了要被唤醒的机器的MAC地址，报文是无法送达的；
关于使用ioctl获取接口索引号(Interface Index)和接口MAC的问题，请自行查找资料，或者参考文章《如何使用raw socket发送UDP报文》，这篇文章中有部分内容涉及到这个问题；
程序中写好了用send()或者用sendto()发送报文的代码，使用一个常量USING_SENDTO来控制，当USING_SENDTO为1时，将使用sendto()发送报文，否则使用send()发送报文；
如果使用send()发送报文，需要使用bind()绑定目的地址；
具体实践中，如果使用sendto()发送报文，(struct sockaddr_ll)中只需填写sll_ifindex即可，这个也许和运行环境有关，请自行测试；理论上说，只要编译通过，运行没有出错，就表示这个Magic Packet发送了出去，应该就可以起作用；
源程序中有详细的注释，其它也没有什么更多解释的。
编译：gcc -Wall magic-packet.c -o magic-packet
运行：sudo ./magic-packet enp0s3 00:e0:2b:68:00:03
由于使用了raw socket，所以必须以root权限运行；
如果你填写的ifname和mac都正确的话，mac所对应的电脑应该被远程唤醒；
这个程序并不好调试，因为能够在数据链路层侦听的工具不多，加上使用的协议号为0x842，使得大多数工具都无法使用，wireshark应该是可以的，而且wireshark的wiki上说，它有专门针对0x842号协议的侦听，不过我没有试过，有感兴趣的读者可以试一下；
远程唤醒是需要硬件支持的，主板和网卡都要支持，但是目前绝大多数有线网卡都应该是支持的，但是可能要在BIOS和其它地方做一些设置，请自行搜索相关资料，并参考我的另一篇文章《远程开机：一个简单的嵌入式项目开发》
运行结果截图：