利用 Winsock 完成类似于系统自带的 ping 远程主机的功能

数据通信实验

一、 实验名称及内容

名称：利用 Winsock 完成类似于系统自带的 ping 远程主机的功能

内容：利用 Winsock 完成基于 ICMP 协议的 ping 程序，该程序完成类似于系统自带的 ping 远程主机的功能，可以直接 ping IP 地址，也可以自动进行域名解析，并且可以指定 ping 次数和统计 ping 结果，基本包含了系统自带的 ping 命令的基本功能。并且，若一台远程主机有多个 IP，则该程序会自动依次 ping 该主机所有 IP。用户可以通过该程序 ping 远程主机来测试连接性。

二、实验过程和结果

环境

物理主机系统：macOS Catalina 10.15.4

虚拟机系统：Windows 10 专业版 x64

计算机名：691B

虚拟机软件：Parallels Desktop 15 for Mac Pro Edition, version 15.1.4 (47270)

编程环境(IDE)：Visual Studio 2019

程序设计

1. 域名解析（获取远程主机名）
   1. 调用 WSAStartup() 函数，初始化 winsock
   2. 调用 getaddrinfo() 函数，获得指定 IP 或域名的主机信息，完成域名解析
2. ping 远程主机，循环指定次数，默认 $4$ 次
   1. 调用 WSAStartup() 函数，初始化 winsock
   2. 调用 socket() 函数创建一个 Socket (PF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP)
   3. 调用 setsockopt() 设置接收超时(1s)
   4. 设置目的地址
   5. 构造 ICMP 封包
      1. 构造 ICMP 报头
      2. 在报头后填充数据，可以任意
      3. 计算校验和
   6. 调用 sendto() 函数发送 ICMP 报文
   7. 调用 recvfrom() 函数接收 ICMP 报文
   8. 统计 ping 信息

程序流程图

程序使用

编译后在命令行运行可执行程序：

myping.exe [IP/DN] ([times](default 4 times))

如：

myping.exe baidu.com

myping.exe baidu.com 10

myping.exe 39.156.69.79 10

程序主体说明

数据结构

#include 
#include 
#include 
#include 
#include  
#include 
#include 
#include 
using namespace std;

#pragma comment (lib, "ws2_32.lib")

// 2字节 对齐 sizeof(icmp_header) == 8 
// 这是ping 在wireshark抓包中的数据结构 
typedef struct icmp_header					// ICMP报头
{
     
    unsigned char icmp_type;    		// 消息类型
    unsigned char icmp_code;    		// 代码
    unsigned short icmp_checksum;   // 校验和
    unsigned short icmp_id;     		// 用来惟一标识此请求的ID号，通常设置为进程ID
    unsigned short icmp_sequence;   // 序列号
} icmp_header;

函数

u_short ss2n(string s)		// 将字符串转为数字，用来将argv指向的字符串类型的指定ping次数转为短整型
{
     
	stringstream ss;
	u_short u;
	ss << s;
	ss >> u;
	return u;
}

// 计算校验和 
unsigned short chsum(struct icmp_header* picmp, int len)
{
     
    long sum = 0;
    unsigned short* pusicmp = (unsigned short*)picmp;
    while (len > 1)
    {
     
        sum += *(pusicmp++);
        if (sum & 0x80000000)
            sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
        len -= 2;
    }
    if (len)
        sum += (unsigned short)*(unsigned char*)pusicmp;
    while (sum >> 16)
        sum = (sum & 0xffff) + (sum >> 16);
    return (unsigned short)~sum;
}

// ping 函数
static int respNum = 0;
static int minTime = 65535, maxTime = 0, sumTime = 0;
int ping(char* szDestIp)
{
     
    //printf("destIp = %s\n",szDestIp);
    int bRet = 1;

    WSADATA wsaData;
    int nTimeOut = 1000;//1s  
    char szBuff[ICMP_HEADER_SIZE + 32] = {
      0 };
    icmp_header* pIcmp = (icmp_header*)szBuff;
    char icmp_data[32] = {
      0 };

    WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData);
    // 创建原始套接字
    SOCKET s = socket(PF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

    // 设置接收超时
    setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char const*)&nTimeOut, sizeof(nTimeOut));

    // 设置目的地址
    sockaddr_in dest_addr;
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, szDestIp, &dest_addr.sin_addr);
    dest_addr.sin_port = htons(0);

    // 构造ICMP封包
    pIcmp->icmp_type = ICMP_ECHO_REQUEST;
    pIcmp->icmp_code = 0;
    pIcmp->icmp_id = (USHORT)::GetCurrentProcessId();
    pIcmp->icmp_sequence = 0;
    pIcmp->icmp_checksum = 0;

    // 填充数据，可以任意 
    memcpy((szBuff + ICMP_HEADER_SIZE), "abcdelmnopqrstuvwiammekakuactor", 32);

    // 计算校验和
    pIcmp->icmp_checksum = chsum((struct icmp_header*)szBuff, sizeof(szBuff));

    sockaddr_in from_addr;
    char szRecvBuff[1024];
    int nLen = sizeof(from_addr);
    int ret, flag = 0;

    DWORD  start = GetTickCount();
    ret = sendto(s, szBuff, sizeof(szBuff), 0, (SOCKADDR*)&dest_addr, sizeof(SOCKADDR));
    //printf("ret = %d ,errorCode:%d\n",ret ,WSAGetLastError() ); 

    int i = 0;
    //这里一定要用while循环，因为recvfrom 会接受到很多报文，包括 发送出去的报文也会被收到！ 不信你可以用 wireshark 抓包查看，这个问题纠结来了一晚上 才猜想出来！ 
    while (1) {
     
        if (i++ > 5) {
     // icmp报文 如果到不了目标主机，是不会返回报文，多尝试几次接受数据，如果都没收到 即请求失败 
            flag = 1;
            break;
        }
        memset(szRecvBuff, 0, 1024);
        //printf("errorCode1:%d\n",WSAGetLastError() ); 
        int ret = recvfrom(s, szRecvBuff, MAXBYTE, 0, (SOCKADDR*)&from_addr, &nLen);
        //printf("errorCode2:%d\n",WSAGetLastError() ); 
        //printf("ret=%d,%s\n",ret,inet_ntoa(from_addr.sin_addr)) ; 
        //接受到 目标ip的 报文 
        char str[INET_ADDRSTRLEN];
        char* ptr = (char*)inet_ntop(AF_INET, &from_addr.sin_addr, str, sizeof(str));
        if (strcmp(ptr, szDestIp) == 0) {
     
            respNum++;
            break;
        }
    }

    DWORD  end = GetTickCount();
    DWORD time = end - start;

    if (flag) {
     
        printf("请求超时。\n");
        return bRet;
    }
    sumTime += time;
    if (minTime > time) {
     
        minTime = time;
    }
    if (maxTime < time) {
     
        maxTime = time;
    }


    // Windows的原始套接字开发，系统没有去掉IP协议头，需要程序自己处理。
    // ip头部的第一个字节（只有1个字节不涉及大小端问题），前4位表示ip协议版本号，后4位表示IP头部长度(单位为4字节)
    char ipInfo = szRecvBuff[0];
    // ipv4头部的第9个字节为TTL的值
    unsigned char ttl = szRecvBuff[8];
    //printf("ipInfo = %x\n",ipInfo);


    int ipVer = ipInfo >> 4;
    int ipHeadLen = ((char)(ipInfo << 4) >> 4) * 4;
    if (ipVer == 4) {
     
        //ipv4 
        //printf("ipv4 len = %d\n",ipHeadLen);
        // 跨过ip协议头，得到ICMP协议头的位置，不过是网络字节序。 
        // 网络字节序 是大端模式 低地址 高位字节 高地址 低位字节。-> 转换为 本地字节序 小端模式 高地址高字节 低地址低字节   
        icmp_header* icmp_rep = (icmp_header*)(szRecvBuff + ipHeadLen);
        //由于校验和是 2个字节 涉及大小端问题，需要转换字节序 
        unsigned short checksum_host = ntohs(icmp_rep->icmp_checksum);// 转主机字节序

        //printf("type = %d ，checksum_host = %x\n",icmp_rep,checksum_host);

        if (icmp_rep->icmp_type == 0) {
      //回显应答报文 
            printf("来自 %s 的回复：字节=32 时间=%2dms TTL=%d checksum=0x%x \n", szDestIp, time, ttl, checksum_host);
        }
        else {
     
            bRet = 0;
            printf("请求超时。type = %d\n", icmp_rep->icmp_type);
        }
    }
    else {
     
        // ipv6 icmpv6 和 icmpv4 不一样，要做对应的处理 
        //printf("ipv6 len = %d\n",ipLen); 
    }
    return bRet;
}

// 主函数，包括完成域名解析功能
int main(int argc, char** argv)
{
     
    if (argc < 2) {
     
        printf("please input:myping ipaddr!\n");
        return 0;
    }
    u_short times;
    if (argv[2])
        times = ss2n(argv[2]);
    else times = 4;

    struct addrinfo* result = NULL;
    struct addrinfo* hostEntry = NULL;
    struct addrinfo hints;
    struct sockaddr_in addr;
    ZeroMemory(&hints, sizeof(hints));
    hints.ai_family = AF_INET;    /* Allow IPv4 */
    hints.ai_flags = AI_PASSIVE;	/* For wildcard IP address */
    hints.ai_protocol = 0;        /* Any protocol */
    hints.ai_socktype = SOCK_STREAM;

    char** ppAlias = NULL; 	// 主机别名
    char** ppAddr = NULL; 	// 点分十进制ip地址
    WORD sockVersion = MAKEWORD(2, 2);
    WSADATA wsaData;
    if (WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0) {
     
        return false;
    }

    DWORD dwRetval;
    dwRetval = getaddrinfo(argv[1], NULL, &hints, &result);	// 域名解析

    if (result == NULL) {
     
        cout << "无法解析域名。\n";
        return 0;
    }

    for (hostEntry = result; hostEntry != NULL; hostEntry = hostEntry->ai_next)
    {
     
        addr = *(struct sockaddr_in*)hostEntry->ai_addr;
        char str[INET_ADDRSTRLEN];
        char* ptr = (char*)inet_ntop(AF_INET, &addr.sin_addr, str, sizeof(str));
        printf("\n正在 Ping %s 具有 32 字节的数据:\n", ptr);
        int i = 0;

        while (i < times)
        {
     
            int result = ping(ptr);
            Sleep(500);
            i++;
        }

        printf("\n%s 的 Ping 统计信息:\n", argv[1]);
        printf("    数据包: 已发送 = %d，已接收 = %d，丢失 = %d (%d%% 丢失)，\n", i, respNum, i - respNum, (i - respNum) * 100 / i);
        if (i - respNum >= 4) {
     
            return 0;
        }
        printf("往返行程的估计时间(以毫秒为单位):\n");
        printf("    最短 = %dms，最长 = %dms，平均 = %dms\n", minTime, maxTime, sumTime / respNum);
        minTime = 65535, maxTime = 0, sumTime = 0;
        respNum = 0;
    }
    return 0;
}

实验结果

上图一共成功进行了五个实验。第一个实验是 ping 一个域名，选择 baidu.com，不设置 ping 次数，结果显示由于该域名解析出两个 IP，于是每个 IP 均成功 ping 了四次，四次均可达，连通性良好，最后对每个 IP 的 ping 结果都进行了正确统计。第二个实验仍 ping baidu.com，设置 ping 次数为 $2$，结果显示每个 IP 均成功 ping 了两次，两次均可达，连通性良好，最后对每个 IP 的 ping 结果都进行了正确统计。第三个和第四个实验是 ping baidu.com 其中一个域名 $39.156.69.79$，前者不设置 ping 次数，后者设置 ping $10$ 次，均成功并符合程序设计的逻辑。最后一个实验是 ping google.com，由于该域名在中国内地被封禁，所以理应无法连通，实验结果也证明了这一点。最后用 macOS 的终端的 ping 命令来测试一下上述结果进行对照实验，结果一模一样，所以本设计的程序能够完成系统自带 ping 命令的基本功能。