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：
1、ICMP包的封裝和解封
2、創建一個線程用于ICMP包的發送
3、創建一個線程用于ICMP包的接收
4、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：
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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。
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/*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，會剩下最后一字節。把最后一個字節視為一個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。
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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)) { 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第一個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。
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void ping_send(){ char send_buf[128]; memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf)); gettimeofday(&start_time, NULL); //記錄第一個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。
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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; } }}<strong></strong> |
四、中斷處理
我們規定了一次ping發送的包的最大值為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。
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void 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。
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#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 64typedef 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，會剩下最后一字節。把最后一個字節視為一個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)) { 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); //記錄第一個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;} |
編譯以及實驗現象如下：
我的實驗環境是兩臺服務器，發起ping的主機是172.0.5.183，被ping的主機是172.0.5.182，以下是我的兩次實驗現象（ping IP和ping 域名）。
特別注意：
只有root用戶才能利用socket()函數生成原始套接字，要讓Linux的一般用戶能執行以上程序，需進行如下的特別操作：用root登陸，編譯以上程序gcc -lpthread -o ping ping.c
實驗現象可以看出，PING是成功的，表明兩主機間的網絡是通的，發出的所有ping包都收到了回復。
下面是Linux系統自帶的PING程序，我們可以對比一下我們設計的PING程序跟系統自帶的PING程序有何不同。
以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持服務器之家。
