一步步学Linux网络编程--ping命令的实现分析

先来讲说ping程序的原理吧，其实挺简单，就是一个主机系统向另一个主机系统说：I love you(ICMP报文)，而后那个主机若是相信你或者说想和你通讯，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，由于对方是和本身心连心的。若是对方没有收到这个消息，或者对你不感冒，不肯意理你，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，感情是两我的的事情哦.

     要想深入了解，需有入目三分的实力，这个ping也同样，我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。可是因为差错报告在发送给报文源发方时可能也要通过若干子网，所以牵涉到路由选择等问题，因此ICMP报文需经过IP协议来发送。ICMP数据报的数据发送前须要两级封装：首先添加ICMP报头造成ICMP报文，再添加IP报头造成IP数据报。以下图所示：

IP报头

ICMP报头

ICMP数据报

     因为IP层协议是一种点对点的协议，而非端对端的协议，它提供无链接的数据报服务，没有端口的概念，所以不多使用bind()和connect() 函数，如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的经典大做《TCP/IP协议详解.卷一》清晰的告诉我，IP报头格式以下：

   

    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，并在通过路由的每个节点时减一，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。每一个ICMP报头均包含类型、编码和校验和这三项内容，其他选项则随ICMP的功能不一样而不一样。ICMP报文格式以下：

   

    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中定义以下：

#define ICMP_ECHO 0 #define ICMP_ECHOREPLY 8

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

linux中ICMP数据结构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命令中须要显示的信息，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。使用如下函数生成时间戳：

#include int gettimeofday(struct timeval *tp,void *tzp) 其中timeval结构以下： 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，二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，通常都不使用，赋NULL值。系统自带的ping命令当它接送完全部ICMP报文后，会对全部发送和全部接收的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程序功能的代码以下：

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*/ } } /*接收全部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在通过参数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这样作主要为了减少接收缓冲区溢出的 的可能性,若无心中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; /*判断是主机名仍是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(); /*发送全部ICMP报文*/ recv_packet(); /*接收全部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(固然了，这个程序仍是很简单，目前为止还不支持环回地址127.0.0.1)。