Ping程序设计
Ping程序设计
文章目录
- Ping程序设计
- 0. 设计框架
- 1. 实验须知
- ICMP协议
- 2. 发送数据
- 1、 ICMP报文填充
- 2、 ICMP校验
- 3、 发送ICMP报文
- 3. 接收数据
- 1、 剥离ICMP接收报文头部
- 2、 接收报文
- 4. 主程序流程
- Ping数据结构
- 主函数流程
- 注意点
- 运行结果
- 参考文献
github: https://github.com/zhaojunchen/Linux-Network/tree/master/ping
0. 设计框架
ping程序一般按照下图的框架进行设计。主要分为
- 发送数据
- 接收数据
- 计算时间差
发送数据对组织好的数据进行发送，接收数据从网络上接收数据并判断其合法性，例如判断是否本进程发出的报文等，计算时间差反应网络的延时。
1. 实验须知
ICMP协议
ICMP协议消息类型有很多种、常见的有如下的几种：
| ICMP消息类型 | 用途说明 |
|---|---|
| 回显请求 | Ping工具通过发送ICMP回显消息检查特定节点的IPv4连接以排查网络问题。类型值为0 |
| 回显应答 | 节点发送回显答复消息响应ICMP回显消息。类型值为8 |
| 重定向 | 路由器发送“重定向”消息，告诉发送主机到目标IPv4地址更好的路由。类型值为5 |
| 源抑制 | 路由器发送“源结束”消息，告诉发送主机它们的IPv4数据报将被丢弃——因为路由器上发生了拥塞。于是，发送主机将以较低的频度发送数据报。类型值为4 |
| 超时 | 这个消息有两种用途。第一，当超过IP生存期时向发送系统发出错误信息。第二，如果分段的IP数据报没有在某种期限内重新组合，这个消息将通知发送系统。类型值为11 |
| 无法到达目标 | 路由器和目标主机发送“无法到达目标”消息，通知发送主机它们的数据无法传送。类型值为3 |
其中ping发送数据的时候类型为 回显请求 接收数据的时候类型为 回显应答
2. 发送数据
发送数据对组织好的数据进行发送、送达到目标主机。
具体包含以下的几个部分：
1、 ICMP报文填充
ICMP报头的格式设置如下所示:
各字段说明
- 类型：占一字节，标识ICMP报文的类型，目前已定义了14种，从类型值来看ICMP报文可以分为两大类。第一类是取值为1~127的差错报文，第2类是取值128以上的信息报文。
- 代码：占一字节，标识对应ICMP报文的代码。它与类型字段一起共同标识了ICMP报文的详细类型。
- 校验和：这是对包括ICMP报文数据部分在内的整个ICMP数据报的校验和（数据部分和报头部分），以检验报文在传输过程中是否出现了差错。其计算方法与在我们介绍IP报头中的校验和计算方法是一样的。
- 标识：占两字节，用于标识本ICMP进程，但仅适用于回显请求和应答ICMP报文，对于目标不可达ICMP报文和超时ICMP报文等，该字段的值为0。
ping程序请求远程主机所使用的ICMP的类型为回显请求
回显请求的报文格式如下：
就是上面所说的头部（没有选型字段）+ 数据部分
ICMP回显请求报文的数据填充就是根据上图的格式填写正确的内容
报文填充如下：
报头部分
- ICMP回显请求的类型为8，即 ICMP ECHO。
- ICMP回显请求的代码值为0。
- ICMP回显请求的校验和后面会讲到
- ICMP回显请求的序列号是一个16位的值，通常由一个递增的值生成。
- ICMP回显请求的ID用于区别，通常用进程的PID填充进行ICMP头部校验
- ICMP回显请求头部的选项部分未设置
数据部分
- ICMP回显的数据部分可以任意设置，但是以太网包的总长度不能小于以太网的最小值，即总长度不能小于46.由于IP头部为20字节，ICMP头部为8个字节，以太网头部占用14个字节，因此ICMP回显包的最小值为46-20-8-14=4个字节。 本程序中ICMP的报文长度设置为64（8字节头部+其余56字节的 任意数据）
/**
**设置ICMP报文
* @param icmph 发送的报文
* @param seq 序列号（依次递增）
* @param tv 时间戳信息
* @param length icmp报文(头部+数据部分)总长度 程序中设置为64
*/
static void icmp_pack(struct icmp *icmph, int seq, struct timeval *tv, int length) {
unsigned char i = 0;
/*设置ICMP的报头*/
// 请求类型
icmph->icmp_type = ICMP_ECHO; /*ICMP回显请求*/
// 请求码
icmph->icmp_code = 0; /*code值为0*/
// 校验和
icmph->icmp_cksum = 0; /*先将cksum值填写0，便于之后的cksum计算*/
// 序列号
icmph->icmp_seq = seq; /*本报的序列号*/
icmph->icmp_id = pid & 0xffff; /*填写PID*/
// 设置ICMP的数据部分
// length-8 = 56字节的数据部分填充
for (i = 0; i < length - 8; i++)
icmph->icmp_data[i] = i;
/*计算校验和*/
icmph->icmp_cksum = icmp_cksum((unsigned char *) icmph, length);
}
2、 ICMP校验
由于ICMP必须使用原始套接字进行设计，要手动设置ICMP的头部校验和。这是对包括ICMP报文数据部分在内的整个ICMP数据报的校验和（数据部分和报头部分），以检验报文在传输过程中是否出现了差错。
// 使用校验的部分：（icmp报文填充的时候）
/*计算校验和*/
icmph->icmp_cksum = icmp_cksum((unsigned char *) icmph, length);
/**
CRC16校验和计算icmp_cksum
参数：
data:数据 注意的是ICMP校验包含了头部和数据部分 程序的ICMP总长度为64字节
len:数据长度
返回值：
计算结果，short类型
*/
static unsigned short icmp_cksum(unsigned char *data, int len) {
int sum = 0; /*计算结果*/
int odd = len & 0x01; /*是否为奇数*/
/*将数据按照2字节为单位累加起来*/
while (len & 0xfffe) {
sum += *(unsigned short *) data;
data += 2;
len -= 2;
}
/*判断是否为奇数个数据，若ICMP报头为奇数个字节，会剩下最后一字节*/
if (odd) {
unsigned short tmp = ((*data) << 8) & 0xff00;
sum += tmp;
}
sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff); /*高低位相加*/
sum += (sum >> 16); /*将溢出位加入*/
return ~sum; /*返回取反值*/
}
3、 发送ICMP报文
发送报文函数是一个线程，每隔1s向目的主机发送一个ICMP回显请求报文，它在整个程序处于激活状态（ alive为1）时一直发送报文（alive是一个全局变量）
发送报文的逻辑如下：
- 获得当前的时间值，按照序列号 packet_send将ICMP报文打包到缓冲区 send buff中后，发送到目的地址。发送成功后，记录发送报文的状态
- 序号seq为 packet_send
- 标志fag为1，表示已经发送但是没有收到响应
- 发送时间为之前获得的时间
- 每次发送成功后序号值会增加1，即 packet send++。
- 在线程开始进入主循环 while（ alive）之前，将整个程序的开始发送时间记录下来，用于在程序退出的时候进行全局统计，即 gettimeofday（& ctv begin,NULL），将时间保存在变量 tv_begin中。
/*发送ICMP回显请求包*/
static void *icmp_send(void *argv) {
/*保存程序开始发送数据的时间*/
gettimeofday(&tv_begin, NULL);
while (alive) {
int size = 0;
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL); /*当前包的发送时间*/
/*在发送包状态数组中找一个空闲位置*/
// 寻找一个pingm_pakcet结构、记录当前ping包的时间戳信息和序列号等信息
pingm_pakcet *packet = icmp_findpacket(-1);
if (packet) {
// 设置序列号
packet->seq = packet_send; /*设置seq*/
packet->flag = 1; /*已经使用*/
// 记录当前ping包的开始时间 结束时间在接收部分处理
gettimeofday(&packet->tv_begin, NULL); /*发送时间*/
}
// 填充报文数据到发送缓冲区 icmp_pack填充 ICMP响应请求的报头和数据部分
icmp_pack((struct icmp *) send_buff, packet_send, &tv, 64);
// 原始套接字 发送 到目标主机
// rawsock：ICMP的原始套接字
// send_buff ICMP报文
// 64 是报文的长度 dest是服务器地址
size = sendto(rawsock, send_buff, 64, 0, /*发送给目的地址*/
(struct sockaddr *) &dest, sizeof(dest));
if (size < 0) {
perror("sendto error");
continue;
}
// packet_send就是发送的序列号
packet_send++; /*计数增加*/
/*每隔1s，发送一个ICMP回显请求包*/
sleep(1);
}
}
备注
-
在C语言中可以使用函数gettimeofday()函数来得到精确时间。它的精度可以达到微妙，是C标准库的函数. gettimeofday()会把目前的时间用timeval 结构体返回，当地时区的信息则放到tz所指的结构中
-
timeval 结构体如下
struct timeval { __time_t tv_sec; /* Seconds. */ __suseconds_t tv_usec; /* Microseconds. */ }; #endif
3. 接收数据
1、 剥离ICMP接收报文头部
函数 icmp_unpack处理来自目标地址的响应应答 icmp_unpack会剥离应答内容IP头部，分析ICMP头部的值。判断是否为正确的ICMP报文，并打印结果。
参数buf为剥去了以太网部分数据的IP数据报文，len为数据长度。可以利用IP头部的参数快速地跳到ICMP报文部分，IP结构的iph标识I头部的长度，由于ih标识的是4字节单位，所以需要乘以4来获得IMP段的地址。
获得ICMP数据段后，判断其类型是否为 ICMP ECHOREPLY，并核实其标识是否为本进程的PID。由于需要判断数据报文的往返时间，在本程序中需要先查找这个包发送时的时间，与当前时间进行计算后，可以得出本地主机与目标主机之间网络ICMP回显报文的差值！
/*解压接收到的包，并打印信息*/
static int icmp_unpack(char *buf, int len) {
int iphdrlen;
struct ip *ip = NULL;
struct icmp *icmp = NULL;
int rtt;
ip = (struct ip *) buf; /*IP头部*/
iphdrlen = ip->ip_hl * 4; /*IP头部长度*/
// icmp指向ICMP报文的起始地址
icmp = (struct icmp *) (buf + iphdrlen); /*ICMP段的地址*/
len -= iphdrlen;
// len是ICMP报文的长度
/*判断长度是否为ICMP包*/
if (len < 8) {
printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
return -1;
}
/*ICMP类型为ICMP_ECHOREPLY并且为本进程的PID*/
if ((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == pid)) {
struct timeval tv_internel, tv_recv, tv_send;
/*在发送表格中查找已经发送的包，按照seq*/
// 已经使用的ping包（flag =1 存在seq）会被seq寻找到
pingm_pakcet *packet = icmp_findpacket(icmp->icmp_seq);
if (packet == NULL)
return -1;
packet->flag = 0; /*取消标志*/
tv_send = packet->tv_begin; /*获取本包的发送时间*/
gettimeofday(&tv_recv, NULL); /*读取此时间，计算时间差*/
// timeval 时间差计算
tv_internel = icmp_tvsub(tv_recv, tv_send);
// timeval 得到rtt往返时间
rtt = tv_internel.tv_sec * 1000 + tv_internel.tv_usec / 1000;
/*打印结果，包含
* ICMP段长度
* 源IP地址
* 包的序列号
* TTL
* 时间差
*/
// 输出当前报文的信息
printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n",
len,
inet_ntoa(ip->ip_src),
icmp->icmp_seq,
ip->ip_ttl,
rtt);
// 统计受到响应的ping包
packet_recv++; /*接收包数量加1*/
} else {
return -1;
}
return 0;
}
// 附上时间计算函数
static struct timeval icmp_tvsub(struct timeval end, struct timeval begin) {
struct timeval tv;
/*计算差值*/
tv.tv_sec = end.tv_sec - begin.tv_sec;
tv.tv_usec = end.tv_usec - begin.tv_usec;
/*如果接收时间的usec值小于发送时的usec值，从usec域借位*/
if (tv.tv_usec < 0) {
tv.tv_sec--;
tv.tv_usec += 1000000;
}
return tv;
}
2、 接收报文
与发送函数一样，接收报文也用一个线程实现，使用 select轮询等待报文到来。当接收到一个报文后，使用函数 icmp _npack（来解包和查找报文之前发送时的记录，获取发送时间，计算收发差值并打印信息)
（1）接收成功后将合法的报文记录重置为没有使用，fag为0
（2）接收报文数量增加1。
（3）为了防止丢包， select的轮询时间设置的比较短。
接收来自目标地址的响应数据、并且将其送入imcp_packet解包
/*接收ping目的主机的回复*/
static void *icmp_recv(void *argv) {
/*轮询等待时间*/
struct timeval tv;
tv.tv_usec = 200;
tv.tv_sec = 0;
fd_set readfd;
/*当没有信号出一直接收数据发*/
while (alive) {
int ret = 0;
FD_ZERO(&readfd);
FD_SET(rawsock, &readfd);
ret = select(rawsock + 1, &readfd, NULL, NULL, &tv);
switch (ret) {
case -1:
/*错误发生*/
break;
case 0:
/*超时*/
break;
default: {
/*接收数据*/
int size = recv(rawsock, recv_buff, sizeof(recv_buff),
0);
if (errno == EINTR) {
perror("recvfrom error");
continue;
}
/*解包，并设置相关变量*/
ret = icmp_unpack(recv_buff, size);
if (ret == -1) {
continue;
}
}
break;
}
}
}
4. 主程序流程
ping程序的实现使用了两个线程，一个线程 icmp sendo用于发送请求，另一个线程icmp recv用于接收远程主机的响应。当变量 alive为0时，两个线程退出。
Ping数据结构
程序使用类型为结构 struct ping_packet的变量 pingpacket用于保存发送数据报文的状态。
- tv_begin用于保存发送的时间。
- ty_end用于保存数据报文接收到的时间。
- seq是序列号，用于标识报文，作为索引。
- flag用于表示本单元的状态，表示数据报文已经发送，但是没有收到回应包；0表示已经接收到回应报文，这个单元可以再次用于标识发送的报文。
typedef struct pingm_pakcet {
struct timeval tv_begin; /*发送的时间*/
struct timeval tv_end; /*接收到的时间*/
short seq; /*序列号*/
int flag; /*1，表示已经发送但没有接收到回应包0，表示接收到回应包*/
} pingm_pakcet;
主函数流程
0.ICMP协议类型设置
struct protoent *protocol = NULL;
char protoname[] = "icmp";
/*获取协议类型ICMP*/
protocol = getprotobyname(protoname);
1.初始化ICMP的raw sock
/*socket初始化*/
rawsock = socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol->p_proto);
2.系列全局变量初始化（不多赘述）
/*复制目的地址字符串*/
memcpy(dest_str, argv[1], strlen(argv[1]) + 1);
memset(pingpacket, 0, sizeof(pingm_pakcet) * 128);
/*为了与其他进程的ping程序区别，加入pid*/
pid = getuid();
/*增大接收缓冲区，防止接收的包被覆盖*/
setsockopt(rawsock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size));
bzero(&dest, sizeof(dest));
3.目的IP地址解析（域名或者IP）
dest.sin_family = AF_INET;
/*输入的目的地址为字符串IP地址*/
inaddr = inet_addr(argv[1]);
if (inaddr == INADDR_NONE) {
/*输入的是DNS地址*/
host = gethostbyname(argv[1]);
if (host == NULL) {
perror("gethostbyname");
return -1;
}
/*将地址复制到dest中*/
memcpy((char *) &dest.sin_addr, host->h_addr, host->h_length);
} else /*为IP地址字符串*/
{
memcpy((char *) &dest.sin_addr, &inaddr, sizeof(inaddr));
}
/*打印提示*/
inaddr = dest.sin_addr.s_addr;
4.开启发送线程和接收线程
pthread_t send_id, recv_id; /*建立两个线程，用于发送和接收*/
int err = 0;
err = pthread_create(&send_id, NULL, icmp_send, NULL); /*发送*/
if (err < 0) {
return -1;
}
err = pthread_create(&recv_id, NULL, icmp_recv, NULL); /*接收*/
if (err < 0) {
return -1;
}
/*等待线程结束*/
pthread_join(send_id, NULL);
pthread_join(recv_id, NULL);
5.清理并打印统计结果
/*清理并打印统计结果 程序使用SIGINT退出子线程、控制权转到主线程*/
close(rawsock);
icmp_statistics();
注意点
在主程序中需要注意如下几点：
- 使用 getprotobyname函数获得icmp对应的ICMP协议值。对输入的目的主机地址兼容域名和IP地址，使用 gethostbynameo函数来获得DNS对应的IP地址， inet addo函数获得字符串类型的P地址对应的整型值。
- 为了防止远程主机发送过大的包或者本地来不及接收现象的发生， setsockopt（ rawsock、 SOL SOCKET、 SO RCVBUF、&size、 sizeof（size）函数将 socket的接收缓冲区设置为128K
- 对信号 SIGINT进行了截取、设置alive为0 让子线程主动退出，用以来结束函数
- 建立两个线程 icmp_sendo和 icmp_recv进行接收和发送，然后主程序等待两个线程结束。
- ICMP原始报文发送需要root权限
运行结果
参考文献
[ 1 ] : Linux网络程序设计