Linux编程之PING的实现

PING（Packet InterNet Groper）中文名为因特网包探索器，是用来查看网络上另一个主机系统的网络连接是否正常的一个工具。ping命令的工作原理是：向网络上的另一个主机系统发送ICMP报文，如果指定系统得到了报文，它将把回复报文传回给发送者，这有点象潜水艇声纳系统中使用的发声装置。所以，我们想知道我这台主机能不能和另一台进行通信，我们首先需要确认的是我们两台主机间的网络是不是通的，也就是我说的话能不能传到你那里，这是双方进行通信的前提。在Linux下使用指令ping的方法和现象如下：

 

PING的实现看起来并不复杂，我想自己写代码实现这个功能，需要些什么知识储备？我简单罗列了一下：

• ICMP协议的理解
• RAW套接字
• 网络封包和解包技能
  
  

搭建这么一个ping程序的步骤如下：

1. ICMP包的封装和解封
2. 创建一个线程用于ICMP包的发送
3. 创建一个线程用于ICMP包的接收
4. 原始套接字编程

 

PING的流程如下：

 

 

一、ICMP包的封装和解封

（1） ICMP协议理解

要进行PING的开发，我们首先需要知道PING的实现是基于ICMP协议来开发的。要进行ICMP包的封装和解封，我们首先需要理解ICMP协议。ICMP位于网络层，允许主机或者路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP报文是封装在IP数据报中，作为其中的数据部分。ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报头，组成IP数据报发送出去。ICMP报文格式如下：

ICMP报文的种类有两种，即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。PING程序使用的ICMP报文种类为ICMP询问报文。注意一下上面说到的ICMP报文格式中的“类型”字段，我们在组包的时候可以向该字段填写不同的值来标定该ICMP报文的类型。下面列出的是几种常用的ICMP报文类型。

我们的PING程序需要用到的ICMP的类型是回送请求（8）。
因为ICMP报文的具体格式会因为ICMP报文的类型而各不相同，我们ping包的格式是这样的：

（2） ICMP包的组装

  对照上面的ping包格式，我们封装ping包的代码可以这么写：

void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length){    int i = 0;    icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO;  //类型填回送请求    icmphdr->icmp_code = 0;       icmphdr->icmp_cksum = 0; //注意，这里先填写0，很重要！    icmphdr->icmp_seq = seq;  //这里的序列号我们填1,2,3,4....    icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff;  //我们使用pid作为icmp_id,icmp_id只是2字节，而pid有4字节    for(i=0;i<length;i++)    {        icmphdr->icmp_data[i] = i;  //填充数据段，使ICMP报文大于64B    }    icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length); //校验和计算}

这里再三提醒一下，icmp_cksum 必须先填写为0再执行校验和算法计算，否则ping时对方主机会因为校验和计算错误而丢弃请求包，导致ping的失败。我一个同事曾经就因为这么一个错误而排查许久，血的教训请铭记。

这里简单介绍一下checksum（校验和）。

计算机网络通信时，为了检验在数据传输过程中数据是否发生了错误，通常在传输数据的时候连同校验和一块传输，当接收端接受数据时候会从新计算校验和，如果与原校验和不同就视为出错，丢弃该数据包，并返回icmp报文。

 

算法基本思路：

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的，采用的都是将数据流视为16位整数流进行重复叠加计算。为了计算检验和，首先把检验和字段置为0。然后，对有效数据范围内中每个16位进行二进制反码求和，结果存在检验和字段中，如果数据长度为奇数则补一字节0。当收到数据后，同样对有效数据范围中每个16位数进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全0或全1(具体看实现了,本质一样) 。如果结果不是全0或全1，那么表示数据错误。

/*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;}

 

（3） ICMP包的解包

知道怎么封装包，那解包就也不难了，注意的是，收到一个ICMP包，我们不要就认为这个包就是我们发出去的ICMP回送回答包，我们需要加一层代码来判断该ICMP报文的id和seq字段是否符合我们发送的ICMP报文的设置，来验证ICMP回复包的正确性。

int icmp_unpack(char* buf, int len){    int iphdr_len;    struct timeval begin_time, recv_time, offset_time;    int rtt;  //round trip time    struct ip* ip_hdr = (struct ip *)buf;    iphdr_len = ip_hdr->ip_hl*4;    struct icmp* icmp = (struct icmp*)(buf+iphdr_len); //使指针跳过IP头指向ICMP头    len-=iphdr_len;  //icmp包长度    if(len < 8)   //判断长度是否为ICMP包长度    {        fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n");        return -1;    }    //判断该包是ICMP回送回答包且该包是我们发出去的    if((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == (pid & 0xffff)))     {        if((icmp->icmp_seq < 0) || (icmp->icmp_seq > PACKET_SEND_MAX_NUM))        {            fprintf(stderr, "icmp packet seq is out of range!\n");            return -1;        }        ping_packet[icmp->icmp_seq].flag = 0;        begin_time = ping_packet[icmp->icmp_seq].begin_time;  //去除该包的发出时间        gettimeofday(&recv_time, NULL);        offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time);        rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒为单位        printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n",            len, inet_ntoa(ip_hdr->ip_src), icmp->icmp_seq, ip_hdr->ip_ttl, rtt);            }    else    {        fprintf(stderr, "Invalid ICMP packet! Its id is not matched!\n");        return -1;    }    return 0;}

 

 

二、发包线程的搭建

根据PING程序的框架，我们需要建立一个线程用于ping包的发送，我的想法是这样的：使用sendto进行发包，发包速率我们维持在1秒1发，我们需要用一个全局变量记录第一个ping包发出的时间，除此之外，我们还需要一个全局变量来记录我们发出的ping包到底有几个，这两个变量用于后来收到ping包回复后的数据计算。

void ping_send(){    char send_buf[128];    memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));    gettimeofday(&start_time, NULL); //记录第一个ping包发出的时间    while(alive)    {        int size = 0;        gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);        ping_packet[send_count].flag = 1; //将该标记为设置为该包已发送        icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封装icmp包        size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));        send_count++; //记录发出ping包的数量        if(size < 0)        {            fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");            continue;        }        sleep(1);    }}

 

三、收包线程的搭建
我们同样建立一个接收包的线程，这里我们采用select函数进行收包，并为select函数设置超时时间为200us，若发生超时，则进行下一个循环。同样地，我们也需要一个全局变量来记录成功接收到的ping回复包的数量。

void ping_recv(){    struct timeval tv;    tv.tv_usec = 200;  //设置select函数的超时时间为200us    tv.tv_sec = 0;    fd_set read_fd;    char recv_buf[512];    memset(recv_buf, 0 ,sizeof(recv_buf));    while(alive)    {        int ret = 0;        FD_ZERO(&read_fd);        FD_SET(rawsock, &read_fd);        ret = select(rawsock+1, &read_fd, NULL, NULL, &tv);        switch(ret)        {            case -1:                fprintf(stderr,"fail to select!\n");                break;            case 0:                break;            default:                {                    int size = recv(rawsock, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);                    if(size < 0)                    {                        fprintf(stderr,"recv data fail!\n");                        continue;                    }                    ret = icmp_unpack(recv_buf, size); //对接收的包进行解封                    if(ret == -1)  //不是属于自己的icmp包，丢弃不处理                    {                        continue;                    }                    recv_count++; //接收包计数                }                break;        }    }}

 

 

四、中断处理

我们规定了一次ping发送的包的最大值为64个，若超出该数值就停止发送。作为PING的使用者，我们一般只会发送若干个包，若有这几个包顺利返回，我们就crtl+c中断ping。这里的代码主要是为中断信号写一个中断处理函数，将alive这个全局变量设置为0，进而使发送ping包的循环停止而结束程序。

void icmp_sigint(int signo){    alive = 0;    gettimeofday(&end_time, NULL);    time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);}signal(SIGINT, icmp_sigint);

 

 

五、总体实现

各模块介绍完了，现在贴出完整代码。

  1 #include <stdio.h>  2 #include <netinet/in.h>  3 #include <netinet/ip.h>  4 #include <netinet/ip_icmp.h>  5 #include <unistd.h>  6 #include <signal.h>  7 #include <arpa/inet.h>  8 #include <errno.h>  9 #include <sys/time.h> 10 #include <string.h> 11 #include <netdb.h> 12 #include <pthread.h> 13  14  15 #define PACKET_SEND_MAX_NUM 64 16  17 typedef struct ping_packet_status 18 { 19     struct timeval begin_time; 20     struct timeval end_time; 21     int flag;   //发送标志,1为已发送 22     int seq;     //包的序列号 23 }ping_packet_status; 24  25  26  27 ping_packet_status ping_packet[PACKET_SEND_MAX_NUM]; 28  29 int alive; 30 int rawsock; 31 int send_count; 32 int recv_count; 33 pid_t pid; 34 struct sockaddr_in dest; 35 struct timeval start_time; 36 struct timeval end_time; 37 struct timeval time_interval; 38  39 /*校验和算法*/ 40 unsigned short cal_chksum(unsigned short *addr,int len) 41 {       int nleft=len; 42         int sum=0; 43         unsigned short *w=addr; 44         unsigned short answer=0; 45  46         /*把ICMP报头二进制数据以2字节为单位累加起来*/ 47         while(nleft>1) 48         {        49             sum+=*w++; 50             nleft-=2; 51         } 52         /*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*/ 53         if( nleft==1) 54         {        55             *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w; 56             sum+=answer; 57         } 58         sum=(sum>>16)+(sum&0xffff); 59         sum+=(sum>>16); 60         answer=~sum; 61         return answer; 62 } 63  64 struct timeval cal_time_offset(struct timeval begin, struct timeval end) 65 { 66     struct timeval ans; 67     ans.tv_sec = end.tv_sec - begin.tv_sec; 68     ans.tv_usec = end.tv_usec - begin.tv_usec; 69     if(ans.tv_usec < 0) //如果接收时间的usec小于发送时间的usec，则向sec域借位 70     { 71         ans.tv_sec--; 72         ans.tv_usec+=1000000; 73     } 74     return ans; 75 } 76  77 void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length) 78 { 79     int i = 0; 80  81     icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO; 82     icmphdr->icmp_code = 0; 83     icmphdr->icmp_cksum = 0; 84     icmphdr->icmp_seq = seq; 85     icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff; 86     for(i=0;i<length;i++) 87     { 88         icmphdr->icmp_data[i] = i; 89     } 90  91     icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length); 92 } 93  94 int icmp_unpack(char* buf, int len) 95 { 96     int iphdr_len; 97     struct timeval begin_time, recv_time, offset_time; 98     int rtt;  //round trip time 99 100     struct ip* ip_hdr = (struct ip *)buf;101     iphdr_len = ip_hdr->ip_hl*4;102     struct icmp* icmp = (struct icmp*)(buf+iphdr_len);103     len-=iphdr_len;  //icmp包长度104     if(len < 8)   //判断长度是否为ICMP包长度105     {106         fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n");107         return -1;108     }109 110     //判断该包是ICMP回送回答包且该包是我们发出去的111     if((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == (pid & 0xffff))) 112     {113         if((icmp->icmp_seq < 0) || (icmp->icmp_seq > PACKET_SEND_MAX_NUM))114         {115             fprintf(stderr, "icmp packet seq is out of range!\n");116             return -1;117         }118 119         ping_packet[icmp->icmp_seq].flag = 0;120         begin_time = ping_packet[icmp->icmp_seq].begin_time;121         gettimeofday(&recv_time, NULL);122 123         offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time);124         rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒为单位125 126         printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n",127             len, inet_ntoa(ip_hdr->ip_src), icmp->icmp_seq, ip_hdr->ip_ttl, rtt);        128 129     }130     else131     {132         fprintf(stderr, "Invalid ICMP packet! Its id is not matched!\n");133         return -1;134     }135     return 0;136 }137 138 void ping_send()139 {140     char send_buf[128];141     memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));142     gettimeofday(&start_time, NULL); //记录第一个ping包发出的时间143     while(alive)144     {145         int size = 0;146         gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);147         ping_packet[send_count].flag = 1; //将该标记为设置为该包已发送148 149         icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封装icmp包150         size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));151         send_count++; //记录发出ping包的数量152         if(size < 0)153         {154             fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");155             continue;156         }157 158         sleep(1);159     }160 }161 162 void ping_recv()163 {164     struct timeval tv;165     tv.tv_usec = 200;  //设置select函数的超时时间为200us166     tv.tv_sec = 0;167     fd_set read_fd;168     char recv_buf[512];169     memset(recv_buf, 0 ,sizeof(recv_buf));170     while(alive)171     {172         int ret = 0;173         FD_ZERO(&read_fd);174         FD_SET(rawsock, &read_fd);175         ret = select(rawsock+1, &read_fd, NULL, NULL, &tv);176         switch(ret)177         {178             case -1:179                 fprintf(stderr,"fail to select!\n");180                 break;181             case 0:182                 break;183             default:184                 {185                     int size = recv(rawsock, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);186                     if(size < 0)187                     {188                         fprintf(stderr,"recv data fail!\n");189                         continue;190                     }191 192                     ret = icmp_unpack(recv_buf, size); //对接收的包进行解封193                     if(ret == -1)  //不是属于自己的icmp包，丢弃不处理194                     {195                         continue;196                     }197                     recv_count++; //接收包计数198                 }199                 break;200         }201 202     }203 }204 205 void icmp_sigint(int signo)206 {207     alive = 0;208     gettimeofday(&end_time, NULL);209     time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);210 }211 212 void ping_stats_show()213 {214     long time = time_interval.tv_sec*1000+time_interval.tv_usec/1000;215     /*注意除数不能为零，这里send_count有可能为零，所以运行时提示错误*/216     printf("%d packets transmitted, %d recieved, %d%c packet loss, time %ldms\n",217         send_count, recv_count, (send_count-recv_count)*100/send_count, '%', time);218 }219 220 221 int main(int argc, char* argv[])222 {223     int size = 128*1024;//128k224     struct protoent* protocol = NULL;225     char dest_addr_str[80];226     memset(dest_addr_str, 0, 80);227     unsigned int inaddr = 1;228     struct hostent* host = NULL;229 230     pthread_t send_id,recv_id;231 232     if(argc < 2)233     {234         printf("Invalid IP ADDRESS!\n");235         return -1;236     }237 238     protocol = getprotobyname("icmp"); //获取协议类型ICMP239     if(protocol == NULL)240     {241         printf("Fail to getprotobyname!\n");242         return -1;243     }244 245     memcpy(dest_addr_str, argv[1], strlen(argv[1])+1);246 247     rawsock = socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto);248     if(rawsock < 0)249     {250         printf("Fail to create socket!\n");251         return -1;252     }253 254     pid = getpid();255 256     setsockopt(rawsock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size)); //增大接收缓冲区至128K257 258     bzero(&dest,sizeof(dest));259 260     dest.sin_family = AF_INET;261 262     inaddr = inet_addr(argv[1]);263     if(inaddr == INADDR_NONE)   //判断用户输入的是否为IP地址还是域名264     {265         //输入的是域名地址266         host = gethostbyname(argv[1]);267         if(host == NULL)268         {269             printf("Fail to gethostbyname!\n");270             return -1;271         }272 273         memcpy((char*)&dest.sin_addr, host->h_addr, host->h_length);274     }275     else276     {277         memcpy((char*)&dest.sin_addr, &inaddr, sizeof(inaddr));//输入的是IP地址278     }279     inaddr = dest.sin_addr.s_addr;280     printf("PING %s, (%d.%d.%d.%d) 56(84) bytes of data.\n",dest_addr_str,281         (inaddr&0x000000ff), (inaddr&0x0000ff00)>>8, 282         (inaddr&0x00ff0000)>>16, (inaddr&0xff000000)>>24);283 284     alive = 1;  //控制ping的发送和接收285 286     signal(SIGINT, icmp_sigint);287 288     if(pthread_create(&send_id, NULL, (void*)ping_send, NULL))289     {290         printf("Fail to create ping send thread!\n");291         return -1;292     }293 294     if(pthread_create(&recv_id, NULL, (void*)ping_recv, NULL))295     {296         printf("Fail to create ping recv thread!\n");297         return -1;298     }299 300     pthread_join(send_id, NULL);//等待send ping线程结束后进程再结束301     pthread_join(recv_id, NULL);//等待recv ping线程结束后进程再结束302 303     ping_stats_show();304 305     close(rawsock);306     return 0;307 308 }

编译以及实验现象如下：
我的实验环境是两台服务器，发起ping的主机是172.0.5.183，被ping的主机是172.0.5.182，以下是我的两次实验现象（ping IP和ping 域名）。

 

特别注意： 

只有root用户才能利用socket()函数生成原始套接字，要让Linux的一般用户能执行以上程序，需进行如下的特别操作：用root登陆，编译以上程序gcc -lpthread -o ping ping.c

 

实验现象可以看出，PING是成功的，表明两主机间的网络是通的，发出的所有ping包都收到了回复。

 

下面是Linux系统自带的PING程序，我们可以对比一下我们设计的PING程序跟系统自带的PING程序有何不同。