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;iicmp_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。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PACKET_SEND_MAX_NUM 64

typedef struct ping_packet_status
{
    struct timeval begin_time;
    struct timeval end_time;
    int flag;   //发送标志,1为已发送
    int seq;     //包的序列号
}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;
}

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) //如果接收时间的usec小于发送时间的usec，则向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;iicmp_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;
        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;
}

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);
    }
}

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;
        }

    }
}

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;
    /*注意除数不能为零，这里send_count有可能为零，所以运行时提示错误*/
    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"); //获取协议类型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)); //增大接收缓冲区至128K

    bzero(&dest,sizeof(dest));

    dest.sin_family = AF_INET;

    inaddr = inet_addr(argv[1]);
    if(inaddr == INADDR_NONE)   //判断用户输入的是否为IP地址还是域名
    {
        //输入的是域名地址
        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));//输入的是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的发送和接收

    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线程结束后进程再结束
    pthread_join(recv_id, NULL);//等待recv ping线程结束后进程再结束

    ping_stats_show();

    close(rawsock);
    return 0;

}

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。

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持续更新，未完待续……

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