Linux下Ping命令实现详解

相信大家一定遇到过上不了网的情形，都知道用个ping命令。这不小王就是这样的女孩，老是上不了网，老是找我，我就先ping一下，逐步找找问题在哪儿，有的放矢，不至于盲目抓瞎(说心里话，我真不愿意帮小王弄，每次弄好了，她就和那个叫寒烟的Q友，使劲聊天，唉，心里哇凉啊.）都说实践是最好的老师，小王不和老师我聊天，说明我这个老师没做好，没关系，我有技术我怕谁，抓住小王的心，我还是有把握的。不知谁问：刀是什么样的刀，朱锈断环刀；剑是什么样的剑，流光翠月剑！不要问我为啥这大反差，没办法，谁叫小王喜欢呢。唉，不说了，小王把眨巴着眼催我快点呢.

     好，今天就给大家讲讲有关linux下ping程序的实现，以后谁再找我修网，对不起，该不奉陪，我只为小王，嘿嘿。

     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：

#define ICMP_ECHO   0#define ICMP_ECHOREPLY  8

    在Linux中ICMP数据结构(<netinet/ip_icmp.h>)定义如下：

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：

必要的头文件,宏定义和函数说明

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( nsend<MAX_NO_PACKETS) //发送MAX_NO_PACKETS个ICMP报文

        {       

                nsend++;                packetsize=pack(nsend); /*设置ICMP报头*/                //sendpacket为要发送的内容，由pack()函数设定，dest_addr是目的地址，

                if( sendto(sockfd,sendpacket,packetsize,0,                          (struct sockaddr *)&dest_addr,sizeof(dest_addr) )<0  )                {       perror("sendto error");                        continue;                }                sleep(1); /*每隔一秒发送一个ICMP报文*/        }}/*接收所有ICMP报文*/void recv_packet(){       int n,fromlen;        extern int errno;        signal(SIGALRM,statistics);        fromlen=sizeof(from);        while( nreceived<nsend)        {       

                //alarm()用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds指定的秒数后传送给目前的进程 

                alarm(MAX_WAIT_TIME);                if( (n=recvfrom(sockfd,recvpacket,sizeof(recvpacket),0,                                (struct sockaddr *)&from,&fromlen)) <0)                {       if(errno==EINTR)   continue;                        perror("recvfrom error");                        continue;                }                gettimeofday(&tvrecv,NULL);  /*记录接收时间*/                if(unpack(recvpacket,n)==-1)continue;                nreceived++;        }}/*剥去ICMP报头*/int unpack(char *buf,int len){       int i,iphdrlen;        struct ip *ip;        struct icmp *icmp;        struct timeval *tvsend;        double rtt;        ip=(struct ip *)buf;        //求ip报头长度,即ip报头的长度标志乘4,头长度指明头中包含的4字节字的个数。可接受

       //的最小值是5，最大值是15

        iphdrlen=ip->ip_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)。结果告诉我，小王微微的笑了(调皮的很，还不想让我看见)，我也就开心了..