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Linux编程之PING的实现

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[系统(linux) 所属分类 系统(linux) | 发布者 店小二04 | 时间 2017 | 作者 红领巾 ] 0人收藏点击收藏

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:


Linux编程之PING的实现

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:


Linux编程之PING的实现
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:


Linux编程之PING的实现

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。


Linux编程之PING的实现

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:


Linux编程之PING的实现
(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:

voidicmp_pack(structicmp*icmphdr,intseq,intlength) {inti=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((unsignedshort*)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*/ unsignedshortcal_chksum(unsignedshort*addr,intlen) {intnleft=len;intsum=0; unsignedshort*w=addr; unsignedshortanswer=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) { *(unsignedchar*)(&answer)=*(unsignedchar*)w; sum+=answer; } sum=(sum>>16)+(sum&0xffff); sum+=(sum>>16); answer=~sum;returnanswer; } (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。

inticmp_unpack(char*buf,intlen) {intiphdr_len;structtimevalbegin_time,recv_time,offset_time;intrtt;//roundtriptime structip*ip_hdr=(structip*)buf; iphdr_len=ip_hdr->ip_hl*4;structicmp*icmp=(structicmp*)(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,"Invalidicmppacket.Itslengthislessthan8\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,"icmppacketseqisoutofrange!\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("%dbytefrom%s:icmp_seq=%uttl=%drtt=%dms\n", len,inet_ntoa(ip_hdr->ip_src),icmp->icmp_seq,ip_hdr->ip_ttl,rtt); }else { fprintf(stderr,"InvalidICMPpacket!Itsidisnotmatched!\n");return-1; }return0; } 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。

voidping_send() {charsend_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) {intsize=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((structicmp*)send_buf,send_count,64);//封装icmp包 size=sendto(rawsock,send_buf,64,0,(structsockaddr*)&dest,sizeof(dest)); send_count++;//记录发出ping包的数量 if(size<0) { fprintf(stderr,"sendicmppacketfail!\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。

voidping_recv() {structtimevaltv; tv.tv_usec=200;//设置select函数的超时时间为200us tv.tv_sec=0; fd_setread_fd;charrecv_buf[512]; memset(recv_buf,0,sizeof(recv_buf));while(alive) {intret=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,"failtoselect!\n");break;case0:break;default: {intsize=recv(rawsock,recv_buf,sizeof(recv_buf),0);if(size<0) { fprintf(stderr,"recvdatafail!\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。

oidicmp_sigint(intsigno) { 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> #definePACKET_SEND_MAX_NUM64 typedefstructping_packet_status { structtime

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