Linux編程之PING的實現(xiàn)
PING(Packet InterNet Groper)中文名為因特網(wǎng)包探索器，是用來查看網(wǎng)絡(luò)上另一個主機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接是否正常的一個工具。ping命令的工作原理是：向網(wǎng)絡(luò)上的另一個主機系統(tǒng)發(fā)送ICMP報文，如果指定系統(tǒng)得到了報文，它將把回復(fù)報文傳回給發(fā)送者，這有點象潛水艇聲納系統(tǒng)中使用的發(fā)聲裝置。所以，我們想知道我這臺主機能不能和另一臺進(jìn)行通信，我們首先需要確認(rèn)的是我們兩臺主機間的網(wǎng)絡(luò)是不是通的，也就是我說的話能不能傳到你那里，這是雙方進(jìn)行通信的前提。在Linux下使用指令ping的方法和現(xiàn)象如下：
PING的實現(xiàn)看起來并不復(fù)雜，我想自己寫代碼實現(xiàn)這個功能，需要些什么知識儲備?我簡單羅列了一下：
- ICMP協(xié)議的理解
- RAW套接字
- 網(wǎng)絡(luò)封包和解包技能
搭建這么一個ping程序的步驟如下：
- ICMP包的封裝和解封
- 創(chuàng)建一個線程用于ICMP包的發(fā)送
- 創(chuàng)建一個線程用于ICMP包的接收
- 原始套接字編程
PING的流程如下：
一、ICMP包的封裝和解封
(1) ICMP協(xié)議理解
要進(jìn)行PING的開發(fā)，我們首先需要知道PING的實現(xiàn)是基于ICMP協(xié)議來開發(fā)的。要進(jìn)行ICMP包的封裝和解封，我們首先需要理解ICMP協(xié)議。ICMP位于網(wǎng)絡(luò)層，允許主機或者路由器報告差錯情況和提供有關(guān)異常情況的報告。ICMP報文是封裝在IP數(shù)據(jù)報中，作為其中的數(shù)據(jù)部分。ICMP報文作為IP層數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)，加上數(shù)據(jù)報頭，組成IP數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。ICMP報文格式如下：
ICMP報文的種類有兩種，即ICMP差錯報告報文和ICMP詢問報文。PING程序使用的ICMP報文種類為ICMP詢問報文。注意一下上面說到的ICMP報文格式中的“類型”字段，我們在組包的時候可以向該字段填寫不同的值來標(biāo)定該ICMP報文的類型。下面列出的是幾種常用的ICMP報文類型。
我們的PING程序需要用到的ICMP的類型是回送請求(8)。
因為ICMP報文的具體格式會因為ICMP報文的類型而各不相同，我們ping包的格式是這樣的：
(2) ICMP包的組裝
對照上面的ping包格式，我們封裝ping包的代碼可以這么寫：
- void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length)
- { int i = 0;
- icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO; //類型填回送請求
- icmphdr->icmp_code = 0;
- icmphdr->icmp_cksum = 0; //注意，這里先填寫0，很重要！
- icmphdr->icmp_seq = seq; //這里的序列號我們填1,2,3,4....
- icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff; //我們使用pid作為icmp_id,icmp_id只是2字節(jié)，而pid有4字節(jié)
- for(i=0;i<length;i++)
- {
- icmphdr->icmp_data[i] = i; //填充數(shù)據(jù)段，使ICMP報文大于64B }
- icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length); //校驗和計算}
這里再三提醒一下，icmp_cksum 必須先填寫為0再執(zhí)行校驗和算法計算，否則ping時對方主機會因為校驗和計算錯誤而丟棄請求包，導(dǎo)致ping的失敗。我一個同事曾經(jīng)就因為這么一個錯誤而排查許久，血的教訓(xùn)請銘記。
這里簡單介紹一下checksum(校驗和)。
計算機網(wǎng)絡(luò)通信時，為了檢驗在數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)是否發(fā)生了錯誤，通常在傳輸數(shù)據(jù)的時候連同校驗和一塊傳輸，當(dāng)接收端接受數(shù)據(jù)時候會從新計算校驗和，如果與原校驗和不同就視為出錯，丟棄該數(shù)據(jù)包，并返回icmp報文。
算法基本思路：
IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等協(xié)議的校驗和算法都是相同的，采用的都是將數(shù)據(jù)流視為16位整數(shù)流進(jìn)行重復(fù)疊加計算。為了計算檢驗和，首先把檢驗和字段置為0。然后，對有效數(shù)據(jù)范圍內(nèi)中每個16位進(jìn)行二進(jìn)制反碼求和，結(jié)果存在檢驗和字段中，如果數(shù)據(jù)長度為奇數(shù)則補一字節(jié)0。當(dāng)收到數(shù)據(jù)后，同樣對有效數(shù)據(jù)范圍中每個16位數(shù)進(jìn)行二進(jìn)制反碼的求和。由于接收方在計算過程中包含了發(fā)送方存在首部中的檢驗和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發(fā)生任何差錯，那么接收方計算的結(jié)果應(yīng)該為全0或全1(具體看實現(xiàn)了,本質(zhì)一樣) 。如果結(jié)果不是全0或全1，那么表示數(shù)據(jù)錯誤。
- /*校驗和算法*/
- 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報頭二進(jìn)制數(shù)據(jù)以2字節(jié)為單位累加起來*/
- while(nleft>1)
- {
- sum+=*w++;
- nleft-=2;
- } /*若ICMP報頭為奇數(shù)個字節(jié)，會剩下***一字節(jié)。把***一個字節(jié)視為一個2字節(jié)數(shù)據(jù)的高字節(jié)，這個2字節(jié)數(shù)據(jù)的低字節(jié)為0，繼續(xù)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
知道怎么封裝包，那解包就也不難了，注意的是，收到一個ICMP包，我們不要就認(rèn)為這個包就是我們發(fā)出去的ICMP回送回答包，我們需要加一層代碼來判斷該ICMP報文的id和seq字段是否符合我們發(fā)送的ICMP報文的設(shè)置，來驗證ICMP回復(fù)包的正確性。
- 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); //使指針跳過IP頭指向ICMP頭
- len-=iphdr_len; //icmp包長度
- if(len < 8) //判斷長度是否為ICMP包長度 {
- fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n"); return -1;
- } //判斷該包是ICMP回送回答包且該包是我們發(fā)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; //去除該包的發(fā)出時間
- gettimeofday(&recv_time, NULL);
- offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time);
- rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒為單位
- 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、發(fā)包線程的搭建
根據(jù)PING程序的框架，我們需要建立一個線程用于ping包的發(fā)送，我的想法是這樣的：使用sendto進(jìn)行發(fā)包，發(fā)包速率我們維持在1秒1發(fā)，我們需要用一個全局變量記錄***個ping包發(fā)出的時間，除此之外，我們還需要一個全局變量來記錄我們發(fā)出的ping包到底有幾個，這兩個變量用于后來收到ping包回復(fù)后的數(shù)據(jù)計算。
- void ping_send()
- { char send_buf[128];
- memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));
- gettimeofday(&start_time, NULL); //記錄***個ping包發(fā)出的時間
- while(alive)
- { int size = 0;
- gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);
- ping_packet[send_count].flag = 1; //將該標(biāo)記為設(shè)置為該包已發(fā)送
- icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封裝icmp包
- size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
- send_count++; //記錄發(fā)出ping包的數(shù)量
- if(size < 0)
- {
- fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n"); continue;
- }
- sleep(1);
- }
- }
三、收包線程的搭建
我們同樣建立一個接收包的線程，這里我們采用select函數(shù)進(jìn)行收包，并為select函數(shù)設(shè)置超時時間為200us，若發(fā)生超時，則進(jìn)行下一個循環(huán)。同樣地，我們也需要一個全局變量來記錄成功接收到的ping回復(fù)包的數(shù)量。
- void ping_recv()
- { struct timeval tv;
- tv.tv_usec = 200; //設(shè)置select函數(shù)的超時時間為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); //對接收的包進(jìn)行解封
- if(ret == -1) //不是屬于自己的icmp包，丟棄不處理 { continue;
- }
- recv_count++; //接收包計數(shù) } break;
- }
- }
- }
四、中斷處理
我們規(guī)定了一次ping發(fā)送的包的***值為64個，若超出該數(shù)值就停止發(fā)送。作為PING的使用者，我們一般只會發(fā)送若干個包，若有這幾個包順利返回，我們就crtl+c中斷ping。這里的代碼主要是為中斷信號寫一個中斷處理函數(shù)，將alive這個全局變量設(shè)置為0，進(jìn)而使發(fā)送ping包的循環(huán)停止而結(jié)束程序。
- oid icmp_sigint(int signo)
- {
- alive = 0;
- gettimeofday(&end_time, NULL);
- time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);
- }
- signal(SIGINT, icmp_sigint);
五、總體實現(xiàn)
各模塊介紹完了，現(xiàn)在貼出完整代碼。
- #include <stdio.h>
- #include <netinet/in.h>
- #include <netinet/ip.h>
- #include <netinet/ip_icmp.h>
- #include <unistd.h>
- #include <signal.h>
- #include <arpa/inet.h>
- #include <errno.h>
- #include <sys/time.h>
- #include <string.h>
- #include <netdb.h>
- #include <pthread.h>
- #define PACKET_SEND_MAX_NUM 64
- typedef struct ping_packet_status
- {
- struct timeval begin_time;
- struct timeval end_time;
- int flag; //發(fā)送標(biāo)志,1為已發(fā)送
- int seq; //包的序列號
- }ping_packet_status;
- ping_packet_status ping_packet[PACKET_SEND_MAX_NUM];
- int alive;
- int rawsock;
- int send_count;
- int recv_count;
- pid_t pid;
- struct sockaddr_in dest;
- struct timeval start_time;
- struct timeval end_time;
- struct timeval time_interval;
- /*校驗和算法*/
- 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報頭二進(jìn)制數(shù)據(jù)以2字節(jié)為單位累加起來*/
- while(nleft>1)
- {
- sum+=*w++;
- nleft-=2;
- }
- /*若ICMP報頭為奇數(shù)個字節(jié)，會剩下***一字節(jié)。把***一個字節(jié)視為一個2字節(jié)數(shù)據(jù)的高字節(jié)，這個2字節(jié)數(shù)據(jù)的低字節(jié)為0，繼續(xù)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;
- }
- struct timeval cal_time_offset(struct timeval begin, struct timeval end)
- {
- struct timeval ans;
- ans.tv_sec = end.tv_sec - begin.tv_sec;
- ans.tv_usec = end.tv_usec - begin.tv_usec;
- if(ans.tv_usec < 0) //如果接收時間的usec小于發(fā)送時間的usec，則向sec域借位
- {
- ans.tv_sec--;
- ans.tv_usec+=1000000;
- }
- return ans;
- }
- void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length)
- {
- int i = 0;
- icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO;
- icmphdr->icmp_code = 0;
- icmphdr->icmp_cksum = 0;
- icmphdr->icmp_seq = seq;
- icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff;
- for(i=0;i<length;i++)
- {
- icmphdr->icmp_data[i] = i;
- }
- icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length);
- }
- 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);
- len-=iphdr_len; //icmp包長度
- if(len < 8) //判斷長度是否為ICMP包長度
- {
- fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n");
- return -1;
- }
- //判斷該包是ICMP回送回答包且該包是我們發(fā)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;
- gettimeofday(&recv_time, NULL);
- offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time);
- rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒為單位
- 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;
- }
- void ping_send()
- {
- char send_buf[128];
- memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));
- gettimeofday(&start_time, NULL); //記錄***個ping包發(fā)出的時間
- while(alive)
- {
- int size = 0;
- gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);
- ping_packet[send_count].flag = 1; //將該標(biāo)記為設(shè)置為該包已發(fā)送
- icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封裝icmp包
- size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
- send_count++; //記錄發(fā)出ping包的數(shù)量
- if(size < 0)
- {
- fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");
- continue;
- }
- sleep(1);
- }
- }
- void ping_recv()
- { struct timeval tv;
- tv.tv_usec = 200; //設(shè)置select函數(shù)的超時時間為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); //對接收的包進(jìn)行解封
- if(ret == -1) //不是屬于自己的icmp包，丟棄不處理
- {
- continue;
- }
- recv_count++; //接收包計數(shù)
- }
- break;
- }
- }
- }
- void icmp_sigint(int signo)
- {
- alive = 0;
- gettimeofday(&end_time, NULL);
- time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);
- }
- void ping_stats_show()
- {
- long time = time_interval.tv_sec*1000+time_interval.tv_usec/1000;
- /*注意除數(shù)不能為零，這里send_count有可能為零，所以運行時提示錯誤*/
- printf("%d packets transmitted, %d recieved, %d%c packet loss, time %ldms\n",
- send_count, recv_count, (send_count-recv_count)*100/send_count, '%', time);
- }
- int main(int argc, char* argv[])
- {
- int size = 128*1024;//128k
- struct protoent* protocol = NULL;
- char dest_addr_str[80];
- memset(dest_addr_str, 0, 80);
- unsigned int inaddr = 1;
- struct hostent* host = NULL;
- pthread_t send_id,recv_id;
- if(argc < 2)
- {
- printf("Invalid IP ADDRESS!\n");
- return -1;
- }
- protocol = getprotobyname("icmp"); //獲取協(xié)議類型ICMP
- if(protocol == NULL)
- {
- printf("Fail to getprotobyname!\n");
- return -1;
- }
- memcpy(dest_addr_str, argv[1], strlen(argv[1])+1);
- rawsock = socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto);
- if(rawsock < 0)
- {
- printf("Fail to create socket!\n");
- return -1;
- }
- pid = getpid();
- setsockopt(rawsock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size)); //增大接收緩沖區(qū)至128K
- bzero(&dest,sizeof(dest));
- dest.sin_family = AF_INET;
- inaddr = inet_addr(argv[1]);
- if(inaddr == INADDR_NONE) //判斷用戶輸入的是否為IP地址還是域名
- {
- //輸入的是域名地址
- host = gethostbyname(argv[1]);
- if(host == NULL)
- {
- printf("Fail to gethostbyname!\n");
- return -1;
- }
- memcpy((char*)&dest.sin_addr, host->h_addr, host->h_length);
- }
- else
- {
- memcpy((char*)&dest.sin_addr, &inaddr, sizeof(inaddr));//輸入的是IP地址
- }
- inaddr = dest.sin_addr.s_addr;
- printf("PING %s, (%d.%d.%d.%d) 56(84) bytes of data.\n",dest_addr_str,
- (inaddr&0x000000ff), (inaddr&0x0000ff00)>>8,
- (inaddr&0x00ff0000)>>16, (inaddr&0xff000000)>>24);
- alive = 1; //控制ping的發(fā)送和接收
- signal(SIGINT, icmp_sigint);
- if(pthread_create(&send_id, NULL, (void*)ping_send, NULL))
- {
- printf("Fail to create ping send thread!\n");
- return -1;
- }
- if(pthread_create(&recv_id, NULL, (void*)ping_recv, NULL))
- {
- printf("Fail to create ping recv thread!\n");
- return -1;
- }
- pthread_join(send_id, NULL);//等待send ping線程結(jié)束后進(jìn)程再結(jié)束
- pthread_join(recv_id, NULL);//等待recv ping線程結(jié)束后進(jìn)程再結(jié)束
- ping_stats_show();
- close(rawsock);
- return 0;
- }
編譯以及實驗現(xiàn)象如下：
我的實驗環(huán)境是兩臺服務(wù)器，發(fā)起ping的主機是172.0.5.183，被ping的主機是172.0.5.182，以下是我的兩次實驗現(xiàn)象(ping IP和ping 域名)。
特別注意：
只有root用戶才能利用socket()函數(shù)生成原始套接字，要讓Linux的一般用戶能執(zhí)行以上程序，需進(jìn)行如下的特別操作：用root登陸，編譯以上程序gcc -lpthread -o ping ping.c
實驗現(xiàn)象可以看出，PING是成功的，表明兩主機間的網(wǎng)絡(luò)是通的，發(fā)出的所有ping包都收到了回復(fù)。
下面是Linux系統(tǒng)自帶的PING程序，我們可以對比一下我們設(shè)計的PING程序跟系統(tǒng)自帶的PING程序有何不同。
