粗略实现Ping程序
最近一直在看《TCP/IP详解》这本书，也许因为我不是计算机专业的缘故，总感觉看了跟没看一样，想着写写博客，能加深印象，结果简直是尴尬。所以想着不如自己动手来实现一个Ping程序，当是学习学习吧，几年以前用Boost带的asio库实现过一个，此次不依赖任何第三方库，实现一个最基本的Ping程序。
- Ping程序原理
- Ping程序演示
- 数据报格式定义
- ICMP报头定义
- IP报头定义
- 程序编写
- 参数解析
- 开始Ping
- 解析主机地址
- 建立套接字
- 填写IP地址信息
- 设置结束统计函数
- 捕获中断信号
- 构建ICMP数据报
- 发送ICMP数据报
- 轮询套接字
- 解析数据
- 统计Ping数据
- 编写Makefile
- 效果演示
- 代码链接
Ping程序原理
要实现ping程序，当然要知道他的原理，ping的原理其实很简单，几乎每个系统都实现了icmp服务器，当有icmp请求到来的时候，目的端就会做出相应的回应，ping程序正是利用了这一点。通过向目的端发送回显请求报文，观察目的端是否回应请求，从而判断网络是否连通。目的端会将源端发送过来的数据包再重新发回给源端。
Ping程序演示
系统自带的ping程序演示如图所示：
数据报格式定义
该程序中涉及的数据报包括IP和ICMP两种数据报，各种数据报的定义如下，在定义数据报的时候必须准确，否则目的主机会丢弃数据报，而不会给出相应的应答。
ICMP报头定义
ICMP报文格式如下图所示：
ICMP源端使用的类型是0x08，表示回显请求，代码是0，ICMP目的端使用的类型是0x00，表示回显应答，代码是0。类型及代码的意义如下图所示，检验和的计算方法网络上有很，请自行查询。
详细说明请参见：
ICMP：报文控制协议
ICMP报头的定义如下所示：
其中，compute_checksum函数，用于计算ICMP报的校验和，计算方式如下：
构造函数用于在数据返回时，从目的端返回的数据缓冲区中读取出对应的ICMP报头。如下所示：
IP报头定义
IP报文格式如下图所示：
其中的数据部分就是我们的ICMP数据报头及数据部分。详细说明请参见
IP：网际协议
其C语言定义如下：
该结构的构造函数如下所示，该构造函数将字符串转换到IP报头中
此处，由于IP并非所关注的重点，所以也就并不关心它的数据存储方式了。
程序编写
编写Ping程序，大致可以分为以下几个步骤，我也将从以下几个方面来进行描述：
- 参数解析
- 开始Ping
也许各位觉得这两个步骤我分得太简单，我这里只是站在main函数的角度来进行分析，main函数越简单越好，如下所示：
参数解析
参数解析的代码如下所示，我只是粗略的实现一个Ping程序，并不是说像系统自带的Ping那样完整和完美，其实还存在一些问题，我也就不去追究和处理了。
从函数中可以看出，ping程序的使用格式是
./ping [-c count] [-m ttl] [-t timeout] [-s packagesize] host其中，-c选项用于设置ping的次数，-m用于修改发送的IP数据报的TTL(生存时间)，没有设置则使用系统默认的TTL，-t用于设置超时等待，默认为1秒。-s设置发送的数据报的大小，若没有默认为56字节。host表示要ping的目的端地址。返回true表示可以开始ping，否则表示参数有误。
开始Ping
该过程是一个比较复杂的过程，可以细分步骤如下：
- 解析主机地址
- 建立套接字socket
- 填写IP地址信息
- 设置结束统计函数
- 捕捉中断信号
- 构建ICMP数据报
- 发送ICMP数据报
- 轮询套接字
- 解析数据
- 统计Ping数据
下面我将按照这几个方面来说明。
解析主机地址
主机地址解析，主要是从给定的域名或者IP地址中解析出主机名称和地址，代码如下所示：
我们使用gethostbyname，来获取到主机地址的相关信息，并将返回的信息转换成点分十进制的IP地址。struct hostent的定义如下所示：
其中h_name表示主机名称，h_aliases表示主机另外列表，h_addrtype表示主机的地址类型，值一般为2，表示AF_INET，h_length表示地址的长度，h_addr_list表示的是主机的IP地址列表，一般我们使用h_addr宏，表示主机IP地址列表的第一个IP地址。
建立套接字
套接字的类型有三种，流式套接字SOCK_STREAM，数据报套接字SOCK_DGRAM，原始套接字SOCK_RAW，其中流式套接字和数据报套接字一般使用于TCP/UDP，而ICMP协议要低于应用层，所以要想绕过应用层，我们应该使用原始套接字，定义函数SOCKET_RAW来创建套接字，并且设置TTL，如下所示：
该函数返回该套接字的描述符。
填写IP地址信息
套接字建立之后，需要告诉IP层，把ICMP数据报发送给谁，所以我们应该填写IP地址信息，由struct sockaddr_in结构表示，填写格式如下：
我们可以看到，因为端口是应用层的概念，对于IP层来说，根本就不存在什么端口，所以sin_port设置为0，sin_family设置为AF_INET，地址我们已经在主机解析中解析出来。
设置结束统计函数
我们在ping程序中可以看到，每次程序结束之后，都会有一个统计数据出来，我们可以注意到，不管是中断程序的执行，还是程序正常结束，都会出现统计信息，应该怎么办呢？其实在C语言里，每个程序都可以使用atexit注册最多32个结束例程，定义如下：
int atexit(void (*)(void));我们定义函数，用于在退出时显示统计信息：
但是我们可以注意到，当我们按下Ctrl + C之后，系统的Ping程序也能输出统计信息，所以我们应该捕获中断信号。
捕获中断信号
为了实现Ctrl + C输出统计信息，我们捕获SIGINT信号，代码很简单，如下所示：
这样，在信号处理函数中，我们调用统计函数并退出程序即可。
构建ICMP数据报
一切准备就绪，我们就可以向主机发送ICMP数据报了，但是在发送之前，我们首先要构建ICMP数据报，首先定义一个宏用于释放指针，如下所示：
然后开始构建数据报。。在构建数据报之前，我们应应该保证数据报的字节数是偶数，如果是奇数，则应该填充相应字节，所以定义MAKEEVEN宏使用户指定的包大小确保为偶数，如下所示：
现在可以开始构建ICMP数据报，如下所示：
ICMP数据报应该包括数据和报头两部分，所以我们分配MAKEEVEN(packagesize)和ICMP报头(8字节)长度的空间，数据部分并不为我们所关心，所以全部填充(char)1过去。然后设置类型为8(回显请求)，代码为0，sFlag表示标识符，通常情况下我们使用进程ID来设置，sSeqNum表示包的序列号，然后计算校验和，如下所示：
在计算的时候要注意网络字节序和主机字节序的相互转换。因为在数据报中，字节流使用的是网络字节序(大端序)，而在本机使用的是主机字节序(小端序)，所以在计算的时候也要注意转换。
发送ICMP数据报
数据报构建完毕之后，我们就可以使用sendto将数据报发送给主机了。代码片断如下所示：
发送出去之后，使用gettimeofday来获取到当前的时间，gettimeofday可以精确到微秒。在本例中，我们定义无限次数为-1
#define INFINITE -1因为次数必定大于0，但是为了防止溢出，当计数器达到最大数值的时候，就应该归0。
轮询套接字
本例中我使用select模型，超时等待设置在select中，首先上代码片断，如下所示：
如果select函数返回-1，说明有错误发生，中止程序，如果返回0，说明已经等待超时，我们可以确定在我们所设置的时间内，主机没有返回任何数据到该套接字上。输出超时提示，否则，我们记录接收到数据报的时间，解析接收到的数据，隔一秒再次传送下一个数据报。
解析数据
当我们收到回应时，数据是包含IP报头，ICMP报头，数据三个部分，其中数据部分是我们之前传送过去的数据。代码如下所示：
在这个方法里面，我们做了几件事
- 解析IP数据报头
- 解析ICMP数据报头
- 分析ICMP数据报头
- 统计最大时间，最小时间，接收到的数据报(这些数据供退出时计算)
其实在IP数据报中已经包含了IP地址，但之前我们在解析主机地址的时候已经解析出来，所以不必再花时间去解析，设置参数将之前解析出来的地址。
在ICMP报头中，我们查看代码，对应上表中的数据，设置相应的错误提示信息。在这里我只有三种类型，回显应答，目的无法到达，TTL生存时间太短。
统计Ping数据
一切完毕，最终在退出的时候应该统计数据，如下所示：
至此，一个粗略的Ping程序就已经全部实现了。虽然还有问题，不过我也就不再去追究了。
编写Makefile
Makefile的作用不言而喻，编写如下：
效果演示
激动人心的时刻，搞了这么久，终于完成了这样一个似模似样的Ping程序，赶快来看看结果如何，我们需要使用sudo来运行该程序，否则会提示没有权限：
代码链接
Ping代码链接
本代码使用Xcode 编写。。。。