一步步学Linux网络编程--ping命令的实现分析
先来说说ping程序的原理吧，其实挺简单，就是一个主机系统向另外一个主机系统说：I love you(ICMP报文)，然后那个主机如果相信你或者说想和你通信，和你心知心，那它就把收到的I love you(ICMP)报文原样返回.好嘛,源主机收到这个回应后，就happy了，因为对方是和自己心连心的。如果对方没有收到这个消息，或者对你不感冒，不愿意理你，不回你这个报文，或者说些不知云是云雾是雾的话，对不起啦，感情是两个人的事情哦.
要想深刻了解，需有入目三分的实力，这个ping也一样，咱们先来看看它采用的TCP/IP协议，我刚说了，它发送的是ICMP回显请求，回答的是回显应答报文。谈起这个ICMP(Internet Control Message,网际控制报文协议)是为网关和目标主机而提供的一种差错控制机制，使它们在遇到差错时能把错误报告给报文源发方.是IP层的一个协议。但是由于差错报告在发送给报文源发方时可能也要经过若干子网，因此牵涉到路由选择等问题，所以ICMP报文需通过IP协议来发送。ICMP数据报的数据发送前需要两级封装：首先添加ICMP报头形成ICMP报文，再添加IP报头形成IP数据报。如下图所示：
| IP报头 |
| ICMP报头 |
| ICMP数据报 |
由于IP层协议是一种点对点的协议，而非端对端的协议，它提供无连接的数据报服务，没有端口的概念，因此很少使用bind()和connect() 函数，若有使用也只是用于设置IP地址。发送数据使用sendto()函数，接收数据使用recvfrom()函数。
TCP/IP的经典大作《TCP/IP协议详解.卷一》清晰的告诉我，IP报头格式如下：
详细的，小王那懒的人都知道翻翻上面提到的书，我也就不详细介绍了，我这里给出linux中的数据结构实现：
struct ip
{
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
unsigned int ip_hl:4; /* header length */
unsigned int ip_v:4; /* version */
#endif
#if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
unsigned int ip_v:4; /* version */
unsigned int ip_hl:4; /* header length */
#endif
u_int8_t ip_tos; /* type of service */
u_short ip_len; /* total length */
u_short ip_id; /* identification */
u_short ip_off; /* fragment offset field */
#define IP_RF 0x8000 /* reserved fragment flag */
#define IP_DF 0x4000 /* dont fragment flag */
#define IP_MF 0x2000 /* more fragments flag */
#define IP_OFFMASK 0x1fff /* mask for fragmenting bits */
u_int8_t ip_ttl; /* time to live */
u_int8_t ip_p; /* protocol */
u_short ip_sum; /* checksum */
struct in_addr ip_src, ip_dst; /* source and dest address */
};
别看这多，其实ping程序用到的没几个：
(1)IP报头长度IHL（Internet Header Length）以4字节为一个单位来记录IP报头的长度，是上述IP数据结构的ip_hl变量。
(2)生存时间TTL（Time To Live）以秒为单位，指出IP数据报能在网络上停留的最长时间，其值由发送方设定，并在经过路由的每一个节点时减一，当该值为０时，数据报将被丢弃，是上述IP数据结构的ip_ttl变量。ICMP报文分为两种：查询报文和差错报文。每个ICMP报头均包含类型、编码和校验和这三项内容，其余选项则随ICMP的功能不同而不同。ICMP报文格式如下：
Ping命令只使用众多ICMP报文中的两种："请求回送'(ICMP_ECHO)和"请求回应'(ICMP_ECHOREPLY)。在Linux中定义如下：
|
在Linux中ICMP数据结构(
linux中ICMP数据结构struct icmp { u_int8_t icmp_type; /* type of message, see below */ u_int8_t icmp_code; /* type sub code */ u_int16_t icmp_cksum; /* ones complement checksum of struct */ union { u_char ih_pptr; /* ICMP_PARAMPROB */ struct in_addr ih_gwaddr; /* gateway address */ struct ih_idseq /* echo datagram */ { u_int16_t icd_id; u_int16_t icd_seq; } ih_idseq; u_int32_t ih_void; /* ICMP_UNREACH_NEEDFRAG -- Path MTU Discovery (RFC1191) */ struct ih_pmtu { u_int16_t ipm_void; u_int16_t ipm_nextmtu; } ih_pmtu; struct ih_rtradv { u_int8_t irt_num_addrs; u_int8_t irt_wpa; u_int16_t irt_lifetime; } ih_rtradv; } icmp_hun; #define icmp_pptr icmp_hun.ih_pptr #define icmp_gwaddr icmp_hun.ih_gwaddr #define icmp_id icmp_hun.ih_idseq.icd_id #define icmp_seq icmp_hun.ih_idseq.icd_seq #define icmp_void icmp_hun.ih_void #define icmp_pmvoid icmp_hun.ih_pmtu.ipm_void #define icmp_nextmtu icmp_hun.ih_pmtu.ipm_nextmtu #define icmp_num_addrs icmp_hun.ih_rtradv.irt_num_addrs #define icmp_wpa icmp_hun.ih_rtradv.irt_wpa #define icmp_lifetime icmp_hun.ih_rtradv.irt_lifetime union { struct { u_int32_t its_otime; u_int32_t its_rtime; u_int32_t its_ttime; } id_ts; struct { struct ip idi_ip; /* options and then 64 bits of data */ } id_ip; struct icmp_ra_addr id_radv; u_int32_t id_mask; u_int8_t id_data[1]; } icmp_dun; #define icmp_otime icmp_dun.id_ts.its_otime #define icmp_rtime icmp_dun.id_ts.its_rtime #define icmp_ttime icmp_dun.id_ts.its_ttime #define icmp_ip icmp_dun.id_ip.idi_ip #define icmp_radv icmp_dun.id_radv #define icmp_mask icmp_dun.id_mask #define icmp_data icmp_dun.id_data }; |
Ping命令中需要显示的信息，包括icmp_seq和ttl都已有实现的办法，但还缺rtt往返时间。为了实现这一功能，可利用ICMP数据报携带一个时间戳。使用以下函数生成时间戳：
#include
int gettimeofday(struct timeval *tp,void *tzp)
其中timeval结构如下：
struct timeval{
long tv_sec;
long tv_usec;
}
|
在发送和接收报文时由gettimeofday分别生成两个timeval结构，两者之差即为往返时间,即 ICMP报文发送与接收的时间差，而timeval结构由ICMP数据报携带,
tzp指针表示时区，一般都不使用，赋NULL值。系统自带的ping命令当它接送完所有ICMP报文后，会对所有发送和所有接收的ICMP报文进行统计，从而计算ICMP报文丢失的比率。为达此目的，定义两个全局变量：接收计数器和发送计数器，用于记录ICMP报文接受和发送数目。丢失数目=发送总数-接收总数，丢失比率=丢失数目/发送总数。现给出模拟Ping程序功能的代码如下：
void statistics(int signo)
{ printf("\n--------------------PING statistics-------------------\n");
printf("%d packets transmitted, %d received , %d%% lost\n",
nsend,nreceived,(nsend-nreceived)/nsend*100);
close(sockfd);
exit(1);
}
/*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;
}
/*设置ICMP报头*/
int pack(int pack_no)
{ int i,packsize;
struct icmp *icmp;
struct timeval *tval;
icmp=(struct icmp*)sendpacket;
icmp->icmp_type=ICMP_ECHO;
icmp->icmp_code=0;
icmp->icmp_cksum=0;
icmp->icmp_seq=pack_no;
icmp->icmp_id=pid;
packsize=8+datalen;
tval= (struct timeval *)icmp->icmp_data;
gettimeofday(tval,NULL); /*记录发送时间*/
icmp->icmp_cksum=cal_chksum( (unsigned short *)icmp,packsize); /*校验算法*/
return packsize;
}
/*发送三个ICMP报文*/
void send_packet()
{ int packetsize;
while( nsendip_hl<<2;
icmp=(struct icmp *)(buf+iphdrlen); /*越过ip报头,指向ICMP报头*/
len-=iphdrlen; /*ICMP报头及ICMP数据报的总长度*/
if( len<8) /*小于ICMP报头长度则不合理*/
{ printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
return -1;
}
/*确保所接收的是我所发的的ICMP的回应*/
if( (icmp->icmp_type==ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id==pid) )
{ tvsend=(struct timeval *)icmp->icmp_data;
tv_sub(&tvrecv,tvsend); /*接收和发送的时间差*/
rtt=tvrecv.tv_sec*1000+tvrecv.tv_usec/1000; /*以毫秒为单位计算rtt*/
/*显示相关信息*/
printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%.3f ms\n",
len,inet_ntoa(from.sin_addr),icmp->icmp_seq,ip->ip_ttl,rtt);
}
else return -1;
}
int main(int argc,char *argv[])
{ struct hostent *host;
struct protoent *protocol;
unsigned long inaddr=0l;
int waittime=MAX_WAIT_TIME; //#define MAX_WAIT_TIME 5
int size=50*1024;
if(argc<2)
{ printf("usage:%s hostname/IP address\n",argv[0]);
exit(1);
}
//getprotobyname("icmp")返回对应于给定协议名的包含名字和协议号的protoent结构指针。
if( (protocol=getprotobyname("icmp") )==NULL)
{ perror("getprotobyname");
exit(1);
}
/*生成使用ICMP的原始套接字,这种套接字只有root才能生成*/
if( (sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto) )<0)
{ perror("socket error");
exit(1);
}
/* 回收root权限,设置当前用户权限*/
setuid(getuid());
/*扩大套接字接收缓冲区到50K这样做主要为了减小接收缓冲区溢出的
的可能性,若无意中ping一个广播地址或多播地址,将会引来大量应答*/
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,&size,sizeof(size) );
bzero(&dest_addr,sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family=AF_INET;
/*判断是主机名还是ip地址*/
if( inaddr=inet_addr(argv[1])==INADDR_NONE)
{ if((host=gethostbyname(argv[1]) )==NULL) /*是主机名*/
{ perror("gethostbyname error");
exit(1);
}
memcpy( (char *)&dest_addr.sin_addr,host->h_addr,host->h_length);
}
else /*是ip地址*/
dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
/*获取main的进程id,用于设置ICMP的标志符*/
pid=getpid();
printf("PING %s(%s): %d bytes data in ICMP packets.\n",argv[1],
inet_ntoa(dest_addr.sin_addr),datalen);
send_packet(); /*发送所有ICMP报文*/
recv_packet(); /*接收所有ICMP报文*/
statistics(SIGALRM); /*进行统计*/
return 0;
}
/*两个timeval结构相减*/
void tv_sub(struct timeval *out,struct timeval *in)
{ if( (out->tv_usec-=in->tv_usec)<0)
{ --out->tv_sec;
out->tv_usec+=1000000;
}
out->tv_sec-=in->tv_sec;
}
好了，编译，运行。按照正常的ping程序运行(当然了，这个程序还是很简单，目前为止还不支持环回地址127.0.0.1)。