Linux編程之PING的實現

作者：佚名 2017-02-07 18:34:16

PING(Packet InterNet Groper)中文名為因特網包探索器，是用來查看網絡上另一個主機系統的網絡連接是否正常的一個工具。ping命令的工作原理是：向網絡上的另一個主機系統發送ICMP報文，如果指定系統得到了報文，它將把回復報文傳回給發送者，這有點象潛水艇聲納系統中使用的發聲裝置。

PING(Packet InterNet Groper)中文名為因特網包探索器，是用來查看網絡上另一個主機系統的網絡連接是否正常的一個工具。ping命令的工作原理是：向網絡上的另一個主機系統發送ICMP報文，如果指定系統得到了報文，它將把回復報文傳回給發送者，這有點象潛水艇聲納系統中使用的發聲裝置。所以，我們想知道我這臺主機能不能和另一臺進行通信，我們首先需要確認的是我們兩臺主機間的網絡是不是通的，也就是我說的話能不能傳到你那里，這是雙方進行通信的前提。在Linux下使用指令ping的方法和現象如下：

PING的實現看起來并不復雜，我想自己寫代碼實現這個功能，需要些什么知識儲備?我簡單羅列了一下：

ICMP協議的理解
RAW套接字
網絡封包和解包技能

搭建這么一個ping程序的步驟如下：

ICMP包的封裝和解封
創建一個線程用于ICMP包的發送
創建一個線程用于ICMP包的接收
原始套接字編程

PING的流程如下：

一、ICMP包的封裝和解封

(1) ICMP協議理解

要進行PING的開發，我們首先需要知道PING的實現是基于ICMP協議來開發的。要進行ICMP包的封裝和解封，我們首先需要理解ICMP協議。ICMP位于網絡層，允許主機或者路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。ICMP報文是封裝在IP數據報中，作為其中的數據部分。ICMP報文作為IP層數據報的數據，加上數據報頭，組成IP數據報發送出去。ICMP報文格式如下：

ICMP報文的種類有兩種，即ICMP差錯報告報文和ICMP詢問報文。PING程序使用的ICMP報文種類為ICMP詢問報文。注意一下上面說到的ICMP報文格式中的“類型”字段，我們在組包的時候可以向該字段填寫不同的值來標定該ICMP報文的類型。下面列出的是幾種常用的ICMP報文類型。

我們的PING程序需要用到的ICMP的類型是回送請求(8)。

因為ICMP報文的具體格式會因為ICMP報文的類型而各不相同，我們ping包的格式是這樣的：

(2) ICMP包的組裝

對照上面的ping包格式，我們封裝ping包的代碼可以這么寫：

void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length) 
{    int i = 0; 
 
    icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO;  //類型填回送請求 
    icmphdr->icmp_code = 0;    
    icmphdr->icmp_cksum = 0; //注意，這里先填寫0，很重要！ 
    icmphdr->icmp_seq = seq;  //這里的序列號我們填1,2,3,4.... 
    icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff;  //我們使用pid作為icmp_id,icmp_id只是2字節，而pid有4字節 
    for(i=0;i<length;i++) 
    { 
        icmphdr->icmp_data[i] = i;  //填充數據段，使ICMP報文大于64B    } 
 
    icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length); //校驗和計算}

這里再三提醒一下，icmp_cksum 必須先填寫為0再執行校驗和算法計算，否則ping時對方主機會因為校驗和計算錯誤而丟棄請求包，導致ping的失敗。我一個同事曾經就因為這么一個錯誤而排查許久，血的教訓請銘記。

這里簡單介紹一下checksum(校驗和)。

計算機網絡通信時，為了檢驗在數據傳輸過程中數據是否發生了錯誤，通常在傳輸數據的時候連同校驗和一塊傳輸，當接收端接受數據時候會從新計算校驗和，如果與原校驗和不同就視為出錯，丟棄該數據包，并返回icmp報文。

算法基本思路：

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等協議的校驗和算法都是相同的，采用的都是將數據流視為16位整數流進行重復疊加計算。為了計算檢驗和，首先把檢驗和字段置為0。然后，對有效數據范圍內中每個16位進行二進制反碼求和，結果存在檢驗和字段中，如果數據長度為奇數則補一字節0。當收到數據后，同樣對有效數據范圍中每個16位數進行二進制反碼的求和。由于接收方在計算過程中包含了發送方存在首部中的檢驗和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發生任何差錯，那么接收方計算的結果應該為全0或全1(具體看實現了,本質一樣) 。如果結果不是全0或全1，那么表示數據錯誤。

/*校驗和算法*/ 
 
unsigned short cal_chksum(unsigned short *addr,int len) 
{       int nleft=len;        int sum=0; 
        unsigned short *w=addr; 
        unsigned short answer=0;        /*把ICMP報頭二進制數據以2字節為單位累加起來*/ 
        while(nleft>1) 
        {        
            sum+=*w++; 
            nleft-=2; 
        }        /*若ICMP報頭為奇數個字節，會剩下***一字節。把***一個字節視為一個2字節數據的高字節，這個2字節數據的低字節為0，繼續累加*/ 
        if( nleft==1) 
        {        
            *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w; 
            sum+=answer; 
        } 
        sum=(sum>>16)+(sum&0xffff); 
        sum+=(sum>>16); 
        answer=~sum;        return answer; 
}

(3) ICMP包的解包

知道怎么封裝包，那解包就也不難了，注意的是，收到一個ICMP包，我們不要就認為這個包就是我們發出去的ICMP回送回答包，我們需要加一層代碼來判斷該ICMP報文的id和seq字段是否符合我們發送的ICMP報文的設置，來驗證ICMP回復包的正確性。

int icmp_unpack(char* buf, int len) 
{    int iphdr_len;    struct timeval begin_time, recv_time, offset_time;    int rtt;  //round trip time 
 
    struct ip* ip_hdr = (struct ip *)buf; 
    iphdr_len = ip_hdr->ip_hl*4;    struct icmp* icmp = (struct icmp*)(buf+iphdr_len); //使指針跳過IP頭指向ICMP頭 
    len-=iphdr_len;  //icmp包長度 
    if(len < 8)   //判斷長度是否為ICMP包長度    { 
        fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n");        return -1; 
    }    //判斷該包是ICMP回送回答包且該包是我們發出去的 
    if((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == (pid & 0xffff)))  
    {        if((icmp->icmp_seq < 0) || (icmp->icmp_seq > PACKET_SEND_MAX_NUM)) 
        { 
            fprintf(stderr, "icmp packet seq is out of range!\n");            return -1; 
        } 
 
        ping_packet[icmp->icmp_seq].flag = 0; 
        begin_time = ping_packet[icmp->icmp_seq].begin_time;  //去除該包的發出時間 
        gettimeofday(&recv_time, NULL); 
 
        offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time); 
        rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒為單位 
        printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n", 
            len, inet_ntoa(ip_hdr->ip_src), icmp->icmp_seq, ip_hdr->ip_ttl, rtt);         
 
    }    else 
    { 
        fprintf(stderr, "Invalid ICMP packet! Its id is not matched!\n");        return -1; 
    }    return 0; 
}

二、發包線程的搭建

根據PING程序的框架，我們需要建立一個線程用于ping包的發送，我的想法是這樣的：使用sendto進行發包，發包速率我們維持在1秒1發，我們需要用一個全局變量記錄***個ping包發出的時間，除此之外，我們還需要一個全局變量來記錄我們發出的ping包到底有幾個，這兩個變量用于后來收到ping包回復后的數據計算。

void ping_send() 
{    char send_buf[128]; 
    memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf)); 
    gettimeofday(&start_time, NULL); //記錄***個ping包發出的時間 
    while(alive) 
    {        int size = 0; 
        gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL); 
        ping_packet[send_count].flag = 1; //將該標記為設置為該包已發送 
        icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封裝icmp包 
        size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest)); 
        send_count++; //記錄發出ping包的數量 
        if(size < 0) 
        { 
            fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");            continue; 
        } 
 
        sleep(1); 
    } 
}

三、收包線程的搭建

我們同樣建立一個接收包的線程，這里我們采用select函數進行收包，并為select函數設置超時時間為200us，若發生超時，則進行下一個循環。同樣地，我們也需要一個全局變量來記錄成功接收到的ping回復包的數量。

void ping_recv() 
{    struct timeval tv; 
    tv.tv_usec = 200;  //設置select函數的超時時間為200us 
    tv.tv_sec = 0; 
    fd_set read_fd;    char recv_buf[512]; 
    memset(recv_buf, 0 ,sizeof(recv_buf));    while(alive) 
    {        int ret = 0; 
        FD_ZERO(&read_fd); 
        FD_SET(rawsock, &read_fd); 
        ret = select(rawsock+1, &read_fd, NULL, NULL, &tv);        switch(ret) 
        {            case -1: 
                fprintf(stderr,"fail to select!\n");                break;            case 0:                break;            default: 
                {                    int size = recv(rawsock, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);                    if(size < 0) 
                    { 
                        fprintf(stderr,"recv data fail!\n");                        continue; 
                    } 
 
                    ret = icmp_unpack(recv_buf, size); //對接收的包進行解封 
                    if(ret == -1)  //不是屬于自己的icmp包，丟棄不處理                    {                        continue; 
                    } 
                    recv_count++; //接收包計數                }                break; 
        } 
 
    } 
}

四、中斷處理

我們規定了一次ping發送的包的***值為64個，若超出該數值就停止發送。作為PING的使用者，我們一般只會發送若干個包，若有這幾個包順利返回，我們就crtl+c中斷ping。這里的代碼主要是為中斷信號寫一個中斷處理函數，將alive這個全局變量設置為0，進而使發送ping包的循環停止而結束程序。

oid icmp_sigint(int signo) 
{ 
    alive = 0; 
    gettimeofday(&end_time, NULL); 
    time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time); 
} 
 
signal(SIGINT, icmp_sigint);

五、總體實現

各模塊介紹完了，現在貼出完整代碼。

#include <stdio.h>   
#include <netinet/in.h>   
#include <netinet/ip.h>   
#include <netinet/ip_icmp.h>   
#include <unistd.h>   
#include <signal.h>   
#include <arpa/inet.h>   
#include <errno.h>   
#include <sys/time.h>  
#include <string.h>  
#include <netdb.h>  
#include <pthread.h>  
   
   
#define PACKET_SEND_MAX_NUM 64  
    
 typedef struct ping_packet_status  
 {  
      struct timeval begin_time;  
      struct timeval end_time;  
      int flag;   //發送標志,1為已發送  
      int seq;     //包的序列號  
  }ping_packet_status;  
    
    
    
  ping_packet_status ping_packet[PACKET_SEND_MAX_NUM];  
    
  int alive;  
  int rawsock;  
  int send_count;  
  int recv_count;  
  pid_t pid;  
  struct sockaddr_in dest;  
  struct timeval start_time;  
  struct timeval end_time;  
  struct timeval time_interval;  
    
  /*校驗和算法*/  
  unsigned short cal_chksum(unsigned short *addr,int len) {       int nleft=len;  
          int sum=0;  
          unsigned short *w=addr;  
          unsigned short answer=0;  
    
          /*把ICMP報頭二進制數據以2字節為單位累加起來*/  
          while(nleft>1)  
          {        
              sum+=*w++;  
              nleft-=2;  
          }  
          /*若ICMP報頭為奇數個字節，會剩下***一字節。把***一個字節視為一個2字節數據的高字節，這個2字節數據的低字節為0，繼續累加*/  
          if( nleft==1)  
          {        
              *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w;  
              sum+=answer;  
          }  
          sum=(sum>>16)+(sum&0xffff);  
          sum+=(sum>>16);  
          answer=~sum;  
          return answer;  
  }  
    
  struct timeval cal_time_offset(struct timeval begin, struct timeval end)  
  {  
      struct timeval ans;  
      ans.tv_sec = end.tv_sec - begin.tv_sec;  
      ans.tv_usec = end.tv_usec - begin.tv_usec;  
      if(ans.tv_usec < 0) //如果接收時間的usec小于發送時間的usec，則向sec域借位  
      {  
          ans.tv_sec--;  
          ans.tv_usec+=1000000;  
      }  
      return ans;  
  }  
    
  void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length)  
  {  
      int i = 0;  
    
      icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO;  
      icmphdr->icmp_code = 0;  
      icmphdr->icmp_cksum = 0;  
      icmphdr->icmp_seq = seq;  
      icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff;  
      for(i=0;i<length;i++)  
      {  
          icmphdr->icmp_data[i] = i;  
      }  
    
      icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length);  
  }  
    
  int icmp_unpack(char* buf, int len)  
  {  
      int iphdr_len;  
      struct timeval begin_time, recv_time, offset_time;  
      int rtt;  //round trip time  
   
     struct ip* ip_hdr = (struct ip *)buf; 
     iphdr_len = ip_hdr->ip_hl*4; 
 
     struct icmp* icmp = (struct icmp*)(buf+iphdr_len); 
     len-=iphdr_len;  //icmp包長度 
     if(len < 8)   //判斷長度是否為ICMP包長度 
     { 
         fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n"); 
         return -1; 
     }   
  
     //判斷該包是ICMP回送回答包且該包是我們發出去的 
     if((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == (pid & 0xffff)))  
     { 
         if((icmp->icmp_seq < 0) || (icmp->icmp_seq > PACKET_SEND_MAX_NUM)) 
  
         { 
         
             fprintf(stderr, "icmp packet seq is out of range!\n"); 
             return -1; 
         } 
  
         ping_packet[icmp->icmp_seq].flag = 0; 
         begin_time = ping_packet[icmp->icmp_seq].begin_time; 
         gettimeofday(&recv_time, NULL); 
  
         offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time); 
         rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒為單位 
  
         printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n", 
             len, inet_ntoa(ip_hdr->ip_src), icmp->icmp_seq, ip_hdr->ip_ttl, rtt);         
  
     } 
     else 
     { 
         fprintf(stderr, "Invalid ICMP packet! Its id is not matched!\n"); 
         return -1; 
     } 
     return 0; 
 } 
  
 void ping_send() 
 { 
     char send_buf[128]; 
     memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf)); 
     gettimeofday(&start_time, NULL); //記錄***個ping包發出的時間 
     while(alive) 
     { 
         int size = 0; 
         gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL); 
         ping_packet[send_count].flag = 1; //將該標記為設置為該包已發送 
  
         icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封裝icmp包 
         size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest)); 
         send_count++; //記錄發出ping包的數量 
         if(size < 0) 
         { 
             fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n"); 
             continue; 
         } 
  
         sleep(1); 
     } 
 } 
  
 void ping_recv() 
 {     struct timeval tv; 
     tv.tv_usec = 200;  //設置select函數的超時時間為200us 
     tv.tv_sec = 0; 
     fd_set read_fd; 
     char recv_buf[512]; 
     memset(recv_buf, 0 ,sizeof(recv_buf)); 
     while(alive) 
     { 
         int ret = 0; 
         FD_ZERO(&read_fd); 
         FD_SET(rawsock, &read_fd); 
         ret = select(rawsock+1, &read_fd, NULL, NULL, &tv); 
         switch(ret) 
         { 
             case -1: 
                 fprintf(stderr,"fail to select!\n"); 
                break; 
             case 0: 
                 break; 
             default: 
                 { 
                     int size = recv(rawsock, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0); 
                     if(size < 0) 
                     { 
                         fprintf(stderr,"recv data fail!\n"); 
                         continue; 
                     } 
  
                     ret = icmp_unpack(recv_buf, size); //對接收的包進行解封 
                     if(ret == -1)  //不是屬于自己的icmp包，丟棄不處理 
                     { 
                         continue; 
                     } 
                     recv_count++; //接收包計數 
                 } 
                 break; 
         } 
  
     }    
 } 
  
 void icmp_sigint(int signo) 
 { 
     alive = 0; 
     gettimeofday(&end_time, NULL); 
     time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time); 
 } 
  
 void ping_stats_show()  
 { 
     long time = time_interval.tv_sec*1000+time_interval.tv_usec/1000; 
     /*注意除數不能為零，這里send_count有可能為零，所以運行時提示錯誤*/ 
     printf("%d packets transmitted, %d recieved, %d%c packet loss, time %ldms\n", 
         send_count, recv_count, (send_count-recv_count)*100/send_count, '%', time); 
} 
 
 
int main(int argc, char* argv[]) 
{ 
  int size = 128*1024;//128k 
  struct protoent* protocol = NULL; 
  char dest_addr_str[80]; 
  memset(dest_addr_str, 0, 80); 
  unsigned int inaddr = 1; 
  struct hostent* host = NULL; 
 
  pthread_t send_id,recv_id;   
  
  if(argc < 2) 
  {   
         printf("Invalid IP ADDRESS!\n"); 
         return -1; 
  }    
  
  protocol = getprotobyname("icmp"); //獲取協議類型ICMP 
  if(protocol == NULL) 
  {   
       printf("Fail to getprotobyname!\n"); 
       return -1; 
  }     
  
  memcpy(dest_addr_str, argv[1], strlen(argv[1])+1); 
 
  rawsock = socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto); 
  if(rawsock < 0) 
  {    
      printf("Fail to create socket!\n"); 
      return -1; 
  }   
 
  pid = getpid(); 
 
  setsockopt(rawsock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size)); //增大接收緩沖區至128K 
  
  bzero(&dest,sizeof(dest)); 
 
  dest.sin_family = AF_INET; 
 
  inaddr = inet_addr(argv[1]); 
  if(inaddr == INADDR_NONE)   //判斷用戶輸入的是否為IP地址還是域名 
  {   
         //輸入的是域名地址 
         host = gethostbyname(argv[1]); 
         if(host == NULL) 
         {     
             printf("Fail to gethostbyname!\n"); 
             return -1; 
         }        
  
         memcpy((char*)&dest.sin_addr, host->h_addr, host->h_length); 
     }  
     else 
     { 
         memcpy((char*)&dest.sin_addr, &inaddr, sizeof(inaddr));//輸入的是IP地址 
     } 
     inaddr = dest.sin_addr.s_addr; 
     printf("PING %s, (%d.%d.%d.%d) 56(84) bytes of data.\n",dest_addr_str, 
         (inaddr&0x000000ff), (inaddr&0x0000ff00)>>8,  
         (inaddr&0x00ff0000)>>16, (inaddr&0xff000000)>>24); 
  
     alive = 1;  //控制ping的發送和接收 
  
     signal(SIGINT, icmp_sigint); 
 
     if(pthread_create(&send_id, NULL, (void*)ping_send, NULL)) 
     {   
         printf("Fail to create ping send thread!\n"); 
         return -1; 
     }  
  
     if(pthread_create(&recv_id, NULL, (void*)ping_recv, NULL)) 
     { 
         printf("Fail to create ping recv thread!\n"); 
         return -1; 
     }   
  
     pthread_join(send_id, NULL);//等待send ping線程結束后進程再結束 
     pthread_join(recv_id, NULL);//等待recv ping線程結束后進程再結束 
  
     ping_stats_show();  
  
     close(rawsock);    
     return 0; 
  
 }