Linux编程之PING的实现

PING(Packet InterNet Groper)中文名为因特网包探索器,是用来查看网络上另一个主机系统的网络连接是否正常的一个工具。ping命令的工作原理是:向网络上的另一个主机系统发送ICMP报文,如果指定系统得到了报文,它将把回复报文传回给发送者,这有点象潜水艇声纳系统中使用的发声装置。所以,我们想知道我这台主机能不能和另一台进行通信,我们首先需要确认的是我们两台主机间的网络是不是通的,也就是我说的话能不能传到你那里,这是双方进行通信的前提。在Linux下使用指令ping的方法和现象如下:

 

PING的实现看起来并不复杂,我想自己写代码实现这个功能,需要些什么知识储备?我简单罗列了一下:

  • ICMP协议的理解
  • RAW套接字
  • 网络封包和解包技能

搭建这么一个ping程序的步骤如下:
  1. ICMP包的封装和解封
  2. 创建一个线程用于ICMP包的发送
  3. 创建一个线程用于ICMP包的接收
  4. 原始套接字编程
 
PING的流程如下:
 
 
一、ICMP包的封装和解封
(1) ICMP协议理解
要进行PING的开发,我们首先需要知道PING的实现是基于ICMP协议来开发的。要进行ICMP包的封装和解封,我们首先需要理解ICMP协议。ICMP位于网络层,允许主机或者路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP报文是封装在IP数据报中,作为其中的数据部分。ICMP报文作为IP层数据报的数据,加上数据报头,组成IP数据报发送出去。ICMP报文格式如下:
ICMP报文的种类有两种,即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。PING程序使用的ICMP报文种类为ICMP询问报文。注意一下上面说到的ICMP报文格式中的“类型”字段,我们在组包的时候可以向该字段填写不同的值来标定该ICMP报文的类型。下面列出的是几种常用的ICMP报文类型。
我们的PING程序需要用到的ICMP的类型是回送请求(8)。
因为ICMP报文的具体格式会因为ICMP报文的类型而各不相同,我们ping包的格式是这样的:

(2) ICMP包的组装
  对照上面的ping包格式,我们封装ping包的代码可以这么写:
void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length)
{
    int i = 0;

    icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO;  //类型填回送请求
    icmphdr->icmp_code = 0;   
    icmphdr->icmp_cksum = 0; //注意,这里先填写0,很重要!
    icmphdr->icmp_seq = seq;  //这里的序列号我们填1,2,3,4....
    icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff;  //我们使用pid作为icmp_id,icmp_id只是2字节,而pid有4字节
    for(i=0;i<length;i++)
    {
        icmphdr->icmp_data[i] = i;  //填充数据段,使ICMP报文大于64B
    }

    icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length); //校验和计算
}
这里再三提醒一下,icmp_cksum 必须先填写为0再执行校验和算法计算,否则ping时对方主机会因为校验和计算错误而丢弃请求包,导致ping的失败。我一个同事曾经就因为这么一个错误而排查许久,血的教训请铭记。

这里简单介绍一下checksum(校验和)。

计算机网络通信时,为了检验在数据传输过程中数据是否发生了错误,通常在传输数据的时候连同校验和一块传输,当接收端接受数据时候会从新计算校验和,如果与原校验和不同就视为出错,丢弃该数据包,并返回icmp报文。

 
算法基本思路:

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的,采用的都是将数据流视为16位整数流进行重复叠加计算。为了计算检验和,首先把检验和字段置为0。然后,对有效数据范围内中每个16位进行二进制反码求和,结果存在检验和字段中,如果数据长度为奇数则补一字节0。当收到数据后,同样对有效数据范围中每个16位数进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和,因此,如果首部在传输过程中没有发生任何差错,那么接收方计算的结果应该为全0或全1(具体看实现了,本质一样) 。如果结果不是全0或全1,那么表示数据错误。

/*校验和算法*/
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报头二进制数据以2字节为单位累加起来*/
        while(nleft>1)
        {       
            sum+=*w++;
            nleft-=2;
        }
        /*若ICMP报头为奇数个字节,会剩下最后一字节。把最后一个字节视为一个2字节数据的高字节,这个2字节数据的低字节为0,继续累加*/
        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
知道怎么封装包,那解包就也不难了,注意的是,收到一个ICMP包,我们不要就认为这个包就是我们发出去的ICMP回送回答包,我们需要加一层代码来判断该ICMP报文的id和seq字段是否符合我们发送的ICMP报文的设置,来验证ICMP回复包的正确性。
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); //使指针跳过IP头指向ICMP头
    len-=iphdr_len;  //icmp包长度
    if(len < 8)   //判断长度是否为ICMP包长度
    {
        fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n");
        return -1;
    }

    //判断该包是ICMP回送回答包且该包是我们发出去的
    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;  //去除该包的发出时间
        gettimeofday(&recv_time, NULL);

        offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time);
        rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒为单位

        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、发包线程的搭建
根据PING程序的框架,我们需要建立一个线程用于ping包的发送,我的想法是这样的:使用sendto进行发包,发包速率我们维持在1秒1发,我们需要用一个全局变量记录第一个ping包发出的时间,除此之外,我们还需要一个全局变量来记录我们发出的ping包到底有几个,这两个变量用于后来收到ping包回复后的数据计算。
void ping_send()
{
    char send_buf[128];
    memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));
    gettimeofday(&start_time, NULL); //记录第一个ping包发出的时间
    while(alive)
    {
        int size = 0;
        gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);
        ping_packet[send_count].flag = 1; //将该标记为设置为该包已发送

        icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封装icmp包
        size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
        send_count++; //记录发出ping包的数量
        if(size < 0)
        {
            fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");
            continue;
        }

        sleep(1);
    }
}

 

三、收包线程的搭建
我们同样建立一个接收包的线程,这里我们采用select函数进行收包,并为select函数设置超时时间为200us,若发生超时,则进行下一个循环。同样地,我们也需要一个全局变量来记录成功接收到的ping回复包的数量。

void ping_recv()
{
    struct timeval tv;
    tv.tv_usec = 200;  //设置select函数的超时时间为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); //对接收的包进行解封
                    if(ret == -1)  //不是属于自己的icmp包,丢弃不处理
                    {
                        continue;
                    }
                    recv_count++; //接收包计数
                }
                break;
        }

    }
}
 
 
四、中断处理
我们规定了一次ping发送的包的最大值为64个,若超出该数值就停止发送。作为PING的使用者,我们一般只会发送若干个包,若有这几个包顺利返回,我们就crtl+c中断ping。这里的代码主要是为中断信号写一个中断处理函数,将alive这个全局变量设置为0,进而使发送ping包的循环停止而结束程序。
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、总体实现
各模块介绍完了,现在贴出完整代码。
  1 #include <stdio.h>
  2 #include <netinet/in.h>
  3 #include <netinet/ip.h>
  4 #include <netinet/ip_icmp.h>
  5 #include <unistd.h>
  6 #include <signal.h>
  7 #include <arpa/inet.h>
  8 #include <errno.h>
  9 #include <sys/time.h>
 10 #include <string.h>
 11 #include <netdb.h>
 12 #include <pthread.h>
 13 
 14 
 15 #define PACKET_SEND_MAX_NUM 64
 16 
 17 typedef struct ping_packet_status
 18 {
 19     struct timeval begin_time;
 20     struct timeval end_time;
 21     int flag;   //发送标志,1为已发送
 22     int seq;     //包的序列号
 23 }ping_packet_status;
 24 
 25 
 26 
 27 ping_packet_status ping_packet[PACKET_SEND_MAX_NUM];
 28 
 29 int alive;
 30 int rawsock;
 31 int send_count;
 32 int recv_count;
 33 pid_t pid;
 34 struct sockaddr_in dest;
 35 struct timeval start_time;
 36 struct timeval end_time;
 37 struct timeval time_interval;
 38 
 39 /*校验和算法*/
 40 unsigned short cal_chksum(unsigned short *addr,int len)
 41 {       int nleft=len;
 42         int sum=0;
 43         unsigned short *w=addr;
 44         unsigned short answer=0;
 45 
 46         /*把ICMP报头二进制数据以2字节为单位累加起来*/
 47         while(nleft>1)
 48         {       
 49             sum+=*w++;
 50             nleft-=2;
 51         }
 52         /*若ICMP报头为奇数个字节,会剩下最后一字节。把最后一个字节视为一个2字节数据的高字节,这个2字节数据的低字节为0,继续累加*/
 53         if( nleft==1)
 54         {       
 55             *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w;
 56             sum+=answer;
 57         }
 58         sum=(sum>>16)+(sum&0xffff);
 59         sum+=(sum>>16);
 60         answer=~sum;
 61         return answer;
 62 }
 63 
 64 struct timeval cal_time_offset(struct timeval begin, struct timeval end)
 65 {
 66     struct timeval ans;
 67     ans.tv_sec = end.tv_sec - begin.tv_sec;
 68     ans.tv_usec = end.tv_usec - begin.tv_usec;
 69     if(ans.tv_usec < 0) //如果接收时间的usec小于发送时间的usec,则向sec域借位
 70     {
 71         ans.tv_sec--;
 72         ans.tv_usec+=1000000;
 73     }
 74     return ans;
 75 }
 76 
 77 void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length)
 78 {
 79     int i = 0;
 80 
 81     icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO;
 82     icmphdr->icmp_code = 0;
 83     icmphdr->icmp_cksum = 0;
 84     icmphdr->icmp_seq = seq;
 85     icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff;
 86     for(i=0;i<length;i++)
 87     {
 88         icmphdr->icmp_data[i] = i;
 89     }
 90 
 91     icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length);
 92 }
 93 
 94 int icmp_unpack(char* buf, int len)
 95 {
 96     int iphdr_len;
 97     struct timeval begin_time, recv_time, offset_time;
 98     int rtt;  //round trip time
 99 
100     struct ip* ip_hdr = (struct ip *)buf;
101     iphdr_len = ip_hdr->ip_hl*4;
102     struct icmp* icmp = (struct icmp*)(buf+iphdr_len);
103     len-=iphdr_len;  //icmp包长度
104     if(len < 8)   //判断长度是否为ICMP包长度
105     {
106         fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n");
107         return -1;
108     }
109 
110     //判断该包是ICMP回送回答包且该包是我们发出去的
111     if((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == (pid & 0xffff))) 
112     {
113         if((icmp->icmp_seq < 0) || (icmp->icmp_seq > PACKET_SEND_MAX_NUM))
114         {
115             fprintf(stderr, "icmp packet seq is out of range!\n");
116             return -1;
117         }
118 
119         ping_packet[icmp->icmp_seq].flag = 0;
120         begin_time = ping_packet[icmp->icmp_seq].begin_time;
121         gettimeofday(&recv_time, NULL);
122 
123         offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time);
124         rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒为单位
125 
126         printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n",
127             len, inet_ntoa(ip_hdr->ip_src), icmp->icmp_seq, ip_hdr->ip_ttl, rtt);        
128 
129     }
130     else
131     {
132         fprintf(stderr, "Invalid ICMP packet! Its id is not matched!\n");
133         return -1;
134     }
135     return 0;
136 }
137 
138 void ping_send()
139 {
140     char send_buf[128];
141     memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));
142     gettimeofday(&start_time, NULL); //记录第一个ping包发出的时间
143     while(alive)
144     {
145         int size = 0;
146         gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);
147         ping_packet[send_count].flag = 1; //将该标记为设置为该包已发送
148 
149         icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封装icmp包
150         size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
151         send_count++; //记录发出ping包的数量
152         if(size < 0)
153         {
154             fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");
155             continue;
156         }
157 
158         sleep(1);
159     }
160 }
161 
162 void ping_recv()
163 {
164     struct timeval tv;
165     tv.tv_usec = 200;  //设置select函数的超时时间为200us
166     tv.tv_sec = 0;
167     fd_set read_fd;
168     char recv_buf[512];
169     memset(recv_buf, 0 ,sizeof(recv_buf));
170     while(alive)
171     {
172         int ret = 0;
173         FD_ZERO(&read_fd);
174         FD_SET(rawsock, &read_fd);
175         ret = select(rawsock+1, &read_fd, NULL, NULL, &tv);
176         switch(ret)
177         {
178             case -1:
179                 fprintf(stderr,"fail to select!\n");
180                 break;
181             case 0:
182                 break;
183             default:
184                 {
185                     int size = recv(rawsock, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);
186                     if(size < 0)
187                     {
188                         fprintf(stderr,"recv data fail!\n");
189                         continue;
190                     }
191 
192                     ret = icmp_unpack(recv_buf, size); //对接收的包进行解封
193                     if(ret == -1)  //不是属于自己的icmp包,丢弃不处理
194                     {
195                         continue;
196                     }
197                     recv_count++; //接收包计数
198                 }
199                 break;
200         }
201 
202     }
203 }
204 
205 void icmp_sigint(int signo)
206 {
207     alive = 0;
208     gettimeofday(&end_time, NULL);
209     time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);
210 }
211 
212 void ping_stats_show()
213 {
214     long time = time_interval.tv_sec*1000+time_interval.tv_usec/1000;
215     /*注意除数不能为零,这里send_count有可能为零,所以运行时提示错误*/
216     printf("%d packets transmitted, %d recieved, %d%c packet loss, time %ldms\n",
217         send_count, recv_count, (send_count-recv_count)*100/send_count, '%', time);
218 }
219 
220 
221 int main(int argc, char* argv[])
222 {
223     int size = 128*1024;//128k
224     struct protoent* protocol = NULL;
225     char dest_addr_str[80];
226     memset(dest_addr_str, 0, 80);
227     unsigned int inaddr = 1;
228     struct hostent* host = NULL;
229 
230     pthread_t send_id,recv_id;
231 
232     if(argc < 2)
233     {
234         printf("Invalid IP ADDRESS!\n");
235         return -1;
236     }
237 
238     protocol = getprotobyname("icmp"); //获取协议类型ICMP
239     if(protocol == NULL)
240     {
241         printf("Fail to getprotobyname!\n");
242         return -1;
243     }
244 
245     memcpy(dest_addr_str, argv[1], strlen(argv[1])+1);
246 
247     rawsock = socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto);
248     if(rawsock < 0)
249     {
250         printf("Fail to create socket!\n");
251         return -1;
252     }
253 
254     pid = getpid();
255 
256     setsockopt(rawsock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size)); //增大接收缓冲区至128K
257 
258     bzero(&dest,sizeof(dest));
259 
260     dest.sin_family = AF_INET;
261 
262     inaddr = inet_addr(argv[1]);
263     if(inaddr == INADDR_NONE)   //判断用户输入的是否为IP地址还是域名
264     {
265         //输入的是域名地址
266         host = gethostbyname(argv[1]);
267         if(host == NULL)
268         {
269             printf("Fail to gethostbyname!\n");
270             return -1;
271         }
272 
273         memcpy((char*)&dest.sin_addr, host->h_addr, host->h_length);
274     }
275     else
276     {
277         memcpy((char*)&dest.sin_addr, &inaddr, sizeof(inaddr));//输入的是IP地址
278     }
279     inaddr = dest.sin_addr.s_addr;
280     printf("PING %s, (%d.%d.%d.%d) 56(84) bytes of data.\n",dest_addr_str,
281         (inaddr&0x000000ff), (inaddr&0x0000ff00)>>8, 
282         (inaddr&0x00ff0000)>>16, (inaddr&0xff000000)>>24);
283 
284     alive = 1;  //控制ping的发送和接收
285 
286     signal(SIGINT, icmp_sigint);
287 
288     if(pthread_create(&send_id, NULL, (void*)ping_send, NULL))
289     {
290         printf("Fail to create ping send thread!\n");
291         return -1;
292     }
293 
294     if(pthread_create(&recv_id, NULL, (void*)ping_recv, NULL))
295     {
296         printf("Fail to create ping recv thread!\n");
297         return -1;
298     }
299 
300     pthread_join(send_id, NULL);//等待send ping线程结束后进程再结束
301     pthread_join(recv_id, NULL);//等待recv ping线程结束后进程再结束
302 
303     ping_stats_show();
304 
305     close(rawsock);
306     return 0;
307 
308 }
编译以及实验现象如下:
我的实验环境是两台服务器,发起ping的主机是172.0.5.183,被ping的主机是172.0.5.182,以下是我的两次实验现象(ping IP和ping 域名)。
 
特别注意: 

只有root用户才能利用socket()函数生成原始套接字,要让Linux的一般用户能执行以上程序,需进行如下的特别操作:用root登陆,编译以上程序gcc -lpthread -o ping ping.c

 

实验现象可以看出,PING是成功的,表明两主机间的网络是通的,发出的所有ping包都收到了回复。
 
下面是Linux系统自带的PING程序,我们可以对比一下我们设计的PING程序跟系统自带的PING程序有何不同。

 

 

posted @ 2017-01-24 23:35 Madcola 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏