Linux編程之PING的實現

PING（Packet InterNet Groper）中文名為因特網包探索器，是用來查看網絡上另一個主機系統的網絡連接是否正常的一個工具。ping命令的工作原理是：向網絡上的另一個主機系統發送ICMP報文，如果指定系統得到了報文，它將把回復報文傳回給發送者，這有點象潛水艇聲納系統中使用的發聲裝置。所以，我們想知道我這台主機能不能和另一台進行通信，我們首先需要確認的是我們兩台主機間的網絡是不是通的，也就是我說的話能不能傳到你那裡，這是雙方進行通信的前提。在Linux下使用指令ping的方法和現象如下：

PING的實現看起來並不復雜，我想自己寫代碼實現這個功能，需要些什麼知識儲備？我簡單羅列了一下：

• ICMP協議的理解
• RAW套接字
• 網絡封包和解包技能
  
  

搭建這麼一個ping程序的步驟如下：

1. ICMP包的封裝和解封
2. 創建一個線程用於ICMP包的發送
3. 創建一個線程用於ICMP包的接收
4. 原始套接字編程

PING的流程如下： 一、ICMP包的封裝和解封 （1） ICMP協議理解 要進行PING的開發，我們首先需要知道PING的實現是基於ICMP協議來開發的。要進行ICMP包的封裝和解封，我們首先需要理解ICMP協議。ICMP位於網絡層，允許主機或者路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。ICMP報文是封裝在IP數據報中，作為其中的數據部分。ICMP報文作為IP層數據報的數據，加上數據報頭，組成IP數據報發送出去。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包的代碼可以這麼寫：

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，這裡先填寫0，很重要！
    icmphdr->icmp_seq = seq;  //這裡的序列號我們填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，而pid有4字節
    for(i=0;i<length;i++)
    {
        icmphdr->icmp_data[i] = i;  //填充數據段，使ICMP報文大於64B
    }

    icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length); //校驗和計算
}

這裡再三提醒一下，icmp_cksum 必須先填寫為0再執行校驗和算法計算，否則ping時對方主機會因為校驗和計算錯誤而丟棄請求包，導致ping的失敗。我一個同事曾經就因為這麼一個錯誤而排查許久，血的教訓請銘記。

這裡簡單介紹一下checksum（校驗和）。

計算機網絡通信時，為了檢驗在數據傳輸過程中數據是否發生了錯誤，通常在傳輸數據的時候連同校驗和一塊傳輸，當接收端接受數據時候會從新計算校驗和，如果與原校驗和不同就視為出錯，丟棄該數據包，並返回icmp報文。

算法基本思路：

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等協議的校驗和算法都是相同的，采用的都是將數據流視為16位整數流進行重復疊加計算。為了計算檢驗和，首先把檢驗和字段置為0。然後，對有效數據范圍內中每個16位進行二進制反碼求和，結果存在檢驗和字段中，如果數據長度為奇數則補一字節0。當收到數據後，同樣對有效數據范圍中每個16位數進行二進制反碼的求和。由於接收方在計算過程中包含了發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生任何差錯，那麼接收方計算的結果應該為全0或全1(具體看實現了,本質一樣) 。如果結果不是全0或全1，那麼表示數據錯誤。

/*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報頭二進制數據以2字節為單位累加起來*/
        while(nleft>1)
        {       
            sum+=*w++;
            nleft-=2;
        }
        /*若ICMP報頭為奇數個字節，會剩下最後一字節。把最後一個字節視為一個2字節數據的高字節，這個2字節數據的低字節為0，繼續累加*/
        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 知道怎麼封裝包，那解包就也不難了，注意的是，收到一個ICMP包，我們不要就認為這個包就是我們發出去的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送的ICMP報文的設置，來驗證ICMP回復包的正確性。

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出去的
    if((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == pid)) 
    {
        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、發包線程的搭建 根據PING程序的框架，我們需要建立一個線程用於ping包的發送，我的想法是這樣的：使用sendto進行發包，發包速率我們維持在1秒1發，我們需要用一個全局變量記錄第一個ping包發出的時間，除此之外，我們還需要一個全局變量來記錄我們發出的ping包到底有幾個，這兩個變量用於後來收到ping包回復後的數據計算。

void ping_send()
{
    char send_buf[128];
    memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));
    gettimeofday(&start_time, NULL); //記錄第一個ping包發出的時間
    while(alive)
    {
        int size = 0;
        gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);
        ping_packet[send_count].flag = 1; //將該標記為設置為該包已發送

        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++; //記錄發出ping包的數量
        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，這裡我們采用select函數進行收包，並為select函數設置超時時間為200us，若發生超時，則進行下一個循環。同樣地，我們也需要一個全局變量來記錄成功接收到的ping回復包的數量。

void ping_recv()
{
    struct timeval tv;
    tv.tv_usec = 200;  //設置select函數的超時時間為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); //對接收的包進行解封
                    if(ret == -1)  //不是屬於自己的icmp包，丟棄不處理
                    {
                        continue;
                    }
                    recv_count++; //接收包計數
                }
                break;
        }

    }
}

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