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：

ICMP包的封装和解封 创建一个线程用于ICMP包的发送 创建一个线程用于ICMP包的接收 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。

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;     }     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);       }   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。

本文作者：佚名 来源：51CTO