ICMP协议的分析与实现

实验：ICMP协议的分析与实现
[实验目的]
   分析ICMP报文，理解ICMP协议在Internet网中的具体应用及其实现原理，深入了解TCP/IP网络的容错控制；学会运用网络套接字Winsock开发网络通信程序。
[实验内容]
   使用Visual Studio C++ 6.0和网络接口套接字Socket进行Windows环境下的网络编程，运用原始嵌套字RAW_SOCKET从IP层开始构造整个ICMP报文，通过ICMP协议所提供的回送请求(echo request)和回送应答(echo reply)这两种报文实现检测目的站的可达性与状态。
1．IP报头、ICMP报文的基本描述
   IP协议并不能保证绝对的可靠,所以就设计了ICMP协议,进行差错报告.
   ICMP 消息使用IP头作为基本控制.
 IP头的格式如下：
 0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                       Source Address                          |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Destination Address                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   Version=4
   IHL   Internet头长
   Type of Service = 0
   Total Length IP包的总长度
   Identification, Flags, Fragment Offset 用于IP包分段
   Time to Live IP包的存活时长
   Protocol  ICMP = 1
   Header Checksum 头校验和（检查整个IP报头）
   Addresses  发送Echo消息的源地址是发送Echo reply消息的目的地址,相反,发送Echo
消息的目的地址是发送Echo reply消息的源地址.
Echo 或 Echo Reply 消息格式如下:
    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Type      |     Code      |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Identifier          |        Sequence Number        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             Data                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
Type
      echo消息的类型为8
      echo reply 的消息类型为0.
Code=0
Checksum
  为从TYPE开始到IP包结束的校验和，也就是校验整个ICMP报文
Identifier
       如果 code = 0, identifier用来匹配echo和echo reply消息
Sequence Number
       如果 code = 0, identifier用来匹配echo和echo reply消息
功能描述:
 收到echo 消息必须回应 echo reply 消息. identifier 和 sequence number 可能被发送echo的主机用来匹配返回的echo reply消息.例如:  identifier 可能用于类似于TCP或UDP的 port用来标示一个会话, 而sequence number 会在每次发送echo请求后递增. 收到echo的主机或路由器返回同一个值与之匹配
2   数据结构
（1）IP报头格式
 //定义IP首部
typedef struct _iphdr{
 unsigned char h_lenver;         //4 位IP版本号+4位首部长度
 unsigned char tos;              //8位服务类型TOS
 unsigned short total_len;         //16位IP包总长度（字节）
 unsigned short ident;            //1 6位标识, 用于辅助IP包的拆装,本实验不用,置零
 unsigned short frag_and_flags;   //3位标志位+13位偏移位, 也是用于IP包的拆装,本实验不用,置零
 unsigned char ttl;              //8位IP包生存时间 TTL
 unsigned char proto;           //8位协议 (TCP, UDP 或其他), 本实验置ICMP,置为1
 unsigned short checksum;      //16位IP首部校验和,最初置零,等所有包头都填写正确后,计算并替换.
 unsigned int sourceIP;         //32位源IP地址
 unsigned int destIP;           //32位目的IP地址
}IP_HEADER;
（2）ICMP报头格式
//定义ICMP首部
typedef struct _icmphdr{
 unsigned char i_type;         //8位类型, 本实验用 8: ECHO  0:ECHO  REPLY
 unsigned char i_code;        //8位代码, 本实验置零
 unsigned short i_cksum;     //16位校验和, 从TYPE开始,直到最后一位用户数据,如果为字节数为奇数则补充一位
 unsigned short i_id ;        //识别号（一般用进程号作为识别号）, 用于匹配ECHO和ECHO REPLY包
 unsigned short i_seq ;       //报文序列号, 用于标记ECHO报文顺序
 unsigned int timestamp;    //时间戳
}ICMP_HEADER;
总体设计
ICMP协议中的发送、接收ICMP回送请求报文，回送应答报文流程图。

4．VC中网络套接字Winsock编程基础
 在VC中进行WINSOCK的API编程开发的时候，需要在项目中使用下面三个文件，否则会出现编译错误。　　
 1．WINSOCK.H: 这是WINSOCK API的头文件，需要包含在项目中。
 2．WSOCK32.LIB: WINSOCK API连接库文件。在使用中，一定要把它作为项目的非缺省的连接库包含到项目文件中去。
 3．WINSOCK.DLL: WINSOCK的动态连接库，位于WINDOWS的安装目录下。
几个基本的套接字：
创建套接字——socket()
 功能：使用前创建一个新的套接字
 格式：SOCKET PASCAL FAR socket(int af,int type,int procotol);
 参数：af: 通信发生的区域
 type: 要建立的套接字类型
 procotol: 使用的特定协议
2、指定本地地址——bind()
 功能：将套接字地址与所创建的套接字号联系起来。
 格式：int PASCAL FAR bind(SOCKET s,const struct sockaddr FAR * name,int namelen);
 参数：s: 是由socket()调用返回的并且未作连接的套接字描述符（套接字号）。
 其它：没有错误，bind()返回0，否则SOCKET_ERROR
 地址结构说明：
struct sockaddr_in
{
short sin_family;//AF_INET
u_short sin_port;//16位端口号，网络字节顺序
struct in_addr sin_addr;//32位IP地址，网络字节顺序
char sin_zero[8];//保留
}
建立套接字连接——connect()和accept()
 功能：共同完成连接工作
 格式：int PASCAL FAR connect(SOCKET s,const struct sockaddr FAR * name,int namelen);
 SOCKET PASCAL FAR accept(SOCKET s,struct sockaddr FAR * name,int FAR * addrlen);
 参数：同上
4、监听连接——listen()
 功能：用于面向连接服务器，表明它愿意接收连接。
 格式：int PASCAL FAR listen(SOCKET s, int backlog);
5、数据传输——send()与recv()
 功能：数据的发送与接收
 格式：int PASCAL FAR send(SOCKET s,const char FAR * buf,int len,int flags);
 int PASCAL FAR recv(SOCKET s,const char FAR * buf,int len,int flags);
 参数：buf:指向存有传输数据的缓冲区的指针。
6、多路复用——select()
 功能：用来检测一个或多个套接字状态。
 格式：int PASCAL FAR select(int nfds,fd_set FAR * readfds,fd_set FAR * writefds,
 fd_set FAR * exceptfds,const struct timeval FAR * timeout);
 参数：readfds:指向要做读检测的指针
 writefds:指向要做写检测的指针
 exceptfds:指向要检测是否出错的指针
 timeout:最大等待时间
7、关闭套接字——closesocket()
 功能：关闭套接字s
 格式：BOOL PASCAL FAR closesocket(SOCKET s);
5 部分程序代码
  //初始化SOCKET
  WSADATA wsaData;
  iErrorCode = WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsaData);
  CheckSockError(iErrorCode, "WSAStartup");
  sockRaw = socket(AF_INET , SOCK_RAW , IPPROTO_ICMP);  //原始套接字
  CheckSockError(sockRaw, "socket");
 
  //设置超时时间
  timeout = time;
  iErrorCode = setsockopt(sockRaw,SOL_SOCKET,SO_RCVTIMEO,(char*)&timeout,sizeof(timeout));//设置接受延时
  CheckSockError(iErrorCode, "SO_RCVTIMEO");
  timeout = time;
  iErrorCode = setsockopt(sockRaw,SOL_SOCKET,SO_SNDTIMEO,(char*)&timeout,sizeof(timeout));//设置发送延时
  CheckSockError(iErrorCode, "SO_SNDTIMEO");
  //获得目标主机IP
  memset(&dest,0,sizeof(dest));//初始化dest结构
  dest.sin_family = AF_INET;  //填充SOCKADDR_IN结构内容
  if((dest.sin_addr.s_addr = inet_addr(lpdest)) == INADDR_NONE)
  {
   if((hp = gethostbyname(lpdest)) != NULL)  //目的主机名字不为空
   {
    memcpy(&(dest.sin_addr),hp->h_addr_list[0],hp->h_length);
    dest.sin_family = hp->h_addrtype;
    printf("dest.sin_addr = %s/n",inet_ntoa(dest.sin_addr));
   }
   else
   {
    CheckSockError(SOCKET_ERROR, "gethostbyname()");
   }
  }
  //创建ICMP数据包
  datasize += sizeof(ICMP_HEADER);    //包长
  icmp_data = (char *)malloc(1024);  //创建icmp数据报内存空间
  recvbuf = (char *)malloc(1024);    //接收icmp包缓冲区
  if((!icmp_data) || (!recvbuf))
  {
   CheckSockError(SOCKET_ERROR, "malloc()");
  }
  memset(icmp_data,0,MAX_PACKET);   //初始化icmp_data
  FillICMPData(icmp_data,datasize);   //填充icmp包
 printf("Pinging %s with %d bytes of data(timeout = %d ms):/n/n",inet_ntoa(dest.sin_addr),datasize,timeout );
  //发送与接收ICMP数据包
  while(1)
  {
   memset(recvbuf,0,MAX_PACKET);   //初始化接受缓冲区
   static int nCount = 0;      //设置发送icmp包的次数，一般为4
   if(nCount++ ==4) break;
   ((ICMP_HEADER*)icmp_data)->i_cksum = 0;     //初设校验和为0
   ((ICMP_HEADER*)icmp_data)->timestamp = GetTickCount();   //获得目前时间
   ((ICMP_HEADER*)icmp_data)->i_seq = seq_no++;        //icmp数据报的序列号
   ((ICMP_HEADER*)icmp_data)->i_cksum =
    checksum((USHORT*)icmp_data,datasize);//计算校验和
   iErrorCode = sendto(sockRaw,icmp_data,datasize,0,(struct sockaddr*)&dest,sizeof(dest));//发送icmp数据报
   if(iErrorCode == SOCKET_ERROR)   //错误检查
   {
    if(WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT)
    {
     printf("timed out/n");
     continue;
    }
    CheckSockError(SOCKET_ERROR, "sendto()");
   }
   if(iErrorCode < datasize)
   {
    printf("Wrote %d bytes/n",iErrorCode);
   }
   int fromlen = sizeof(from);//接受icmp包长度
   iErrorCode = recvfrom(sockRaw,recvbuf,MAX_PACKET,0,(struct sockaddr*)&from,&fromlen);//接受icmp包
   if(iErrorCode == SOCKET_ERROR)
   {
    if(WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT)
    {
     printf("timed out/n");
     continue;
    }
    CheckSockError(SOCKET_ERROR, "recvfrom()");
   }
   DecodeICMPHeader(recvbuf,iErrorCode,&from);   //分解icmp包头
   Sleep(1000);   //休眠一段时间
  }
 //SOCK错误处理程序
 void CheckSockError(int iErrorCode, char *pErrorMsg)
 {
  if(iErrorCode==SOCKET_ERROR)
  {
   printf("%s Error:%d/n", pErrorMsg, GetLastError());
   closesocket(sockRaw);
   ExitProcess(0);
  }
 }
 //填充数据
 void FillICMPData(char *icmp_data, int datasize)
 {
  ICMP_HEADER *icmp_hdr = NULL;
  char *datapart = NULL;
 
  icmp_hdr = (ICMP_HEADER*)icmp_data;
  icmp_hdr->i_type = ICMP_ECHO;   //发送ping
  // Request an ICMP echo
  icmp_hdr->i_code = 0;    //代码字段为0
  icmp_hdr->i_id = (USHORT)GetCurrentProcessId();  //获得当前进程号
  icmp_hdr->i_cksum = 0;
  icmp_hdr->i_seq = 0;   //初始化序列号
  datapart = icmp_data + sizeof(ICMP_HEADER);     //加上icmp包头
  //
  // Place some junk in the buffer
  //
  memset(datapart,'E', datasize - sizeof(ICMP_HEADER));   //填充datapart
 }
 
 //计算检验和
 USHORT checksum(USHORT *buffer, int size)
 {
  unsigned long cksum=0;
 
  while (size > 1)
  {
   cksum += *buffer++;
   size -= sizeof(USHORT);
  }
  if (size)
  {
   cksum += *(UCHAR*)buffer;
  }
  cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
  cksum += (cksum >>16);
  return (USHORT)(~cksum);
 }
 
 //ICMP解包程序
 void DecodeICMPHeader(char *buf, int bytes, struct sockaddr_in *from)
 {
  IP_HEADER *iphdr = NULL;
  ICMP_HEADER *icmphdr = NULL;
  unsigned short iphdrlen;
  DWORD tick;
  iphdr = (IP_HEADER *)buf;
  // Number of 32-bit words * 4 = bytes
  iphdrlen= sizeof(unsigned long) * (iphdr->h_lenver & 0xf);  //计算ip包头长度
  tick = GetTickCount();
  if(bytes < iphdrlen + ICMP_MIN)   //数据报太短，丢弃
  {
   printf("Too few bytes from %s/n",inet_ntoa(from->sin_addr));
  }
  icmphdr = (ICMP_HEADER*)(buf + iphdrlen);
  if (icmphdr->i_type != ICMP_ECHOREPLY)   //不是回送响应（ping应答），丢弃
  {
   printf("nonecho type %d recvd/n", icmphdr->i_type);
   return;
  }
  // Make sure this is an ICMP reply to something we sent!
  //
  if (icmphdr->i_id != (USHORT)GetCurrentProcessId()) //id号不符合，丢弃
  {
   printf("someone else‘s packet!/n");
   return ;
  }
  printf("%d bytes from %s:", bytes, inet_ntoa(from->sin_addr));  //输出正在使用的ip地址
  printf(" icmp_seq = %d. ", icmphdr->i_seq);   //输出序列号
  printf(" time: %d ms", tick - icmphdr->timestamp);   //输出所用时间
  printf("/n");
 
  return;
 }
 6实验结果
   该程序用来检验网络中的一台目标主机是否可达，其功能相当与Windows系统自带的ping命令。例如当程序检验地址为218.199.74.46的目标主机时，可以返回如下信息。