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***一字节。把***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***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***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***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。

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、总体实现

各模块介绍完了，现在贴出完整代码。 

#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;   //发送标志,1为已发送  
      int seq;     //包的序列号  
  }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***一字节。把***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;  
  }  
    
  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) //如果接收时间的usec小于发送时间的usec，则向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; 
         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; 
 } 
  
 void ping_send() 
 { 
     char send_buf[128]; 
     memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf)); 
     gettimeofday(&start_time, NULL); //记录***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); 
     } 
 } 
  
 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; 
         } 
  
     }    
 } 
  
 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; 
     /*注意除数不能为零，这里send_count有可能为零，所以运行时提示错误*/ 
     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"); //获取协议类型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)); //增大接收缓冲区至128K 
  
  bzero(&dest,sizeof(dest)); 
 
  dest.sin_family = AF_INET; 
 
  inaddr = inet_addr(argv[1]); 
  if(inaddr == INADDR_NONE)   //判断用户输入的是否为IP地址还是域名 
  {   
         //输入的是域名地址 
         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));//输入的是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的发送和接收 
  
     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线程结束后进程再结束 
     pthread_join(recv_id, NULL);//等待recv ping线程结束后进程再结束 
  
     ping_stats_show();  
  
     close(rawsock);    
     return 0; 
  
 }  

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。