简单Ping实现

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。ICMP协议是IP层的一个协议，但是由于差错报告在发送给报文源发方时可能也要经过若干子网，因此牵涉到路由选择等问题，所以ICMP报文需通过IP协议来发送。ICMP数据报的数据发送前需要两级封装：首先添加ICMP报头形成ICMP报文，再添加IP报头形成IP数据报。
IP报头格式

由于IP层协议是一种点对点的协议，而非端对端的协议，它提供无连接的数据报服务，没有端口的概念，因此很少使用bind()和connect() 函数，若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。IP报头格式如下图：

 
其中ping程序只使用以下数据：

• IP报头长度IHL（Internet Header Length）?D?D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。
• 生存时间TTL（Time To Live）?D?D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，并在经过路由的每一个节点时减一，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报头格式

ICMP报文分为两种，一是错误报告报文，二是查询报文。每个ICMP报头均包含类型、编码和校验和这三项内容，长度为８位，８位和１６位，其余选项则随ICMP的功能不同而不同。

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中定义如下：

 #define ICMP_ECHO   0
#define ICMP_ECHOREPLY  8

这两种ICMP类型报头格式如下：

 

下面是自己实现的一个Ping的演示程序，该程序需要root权限运行（raw socket， 系统的ping工具为何不需要root权限：因为ping工具的所有者是root，且其带有-s标记，所以使用时不需要加root权限）：

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <netdb.h>
#include <setjmp.h>
#include <errno.h>

#define PACKET_SIZE     4096
#define MAX_WAIT_TIME   5
#define MAX_NO_PACKETS  4

char g_sendPacketBuf[PACKET_SIZE];
char g_recvPacket[PACKET_SIZE];
int g_sockFd;
int g_dataLen = 56;
int g_nsend = 0;
int g_nreceived = 0;
struct sockaddr_in dest_addr;
pid_t pid;
struct sockaddr_in from;
struct timeval tvrecv;

void statistics(int signo);
unsigned short cal_chksum(unsigned short *addr, int len);
int pack(int pack_no);
void send_packet(void);
void recv_packet(void);
int unpack(char *buf, int len);
void tv_sub(struct timeval *out, struct timeval *in);

void statistics(int signo)
{
    printf("/n--------------------PING statistics-------------------\n");
    printf("%d packets transmitted, %d received , %%%d lost\n", g_nsend, g_nreceived,
           (g_nsend - g_nreceived) / g_nsend * 100);
    close(g_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 *)g_sendPacketBuf;
    icmp->icmp_type = ICMP_ECHO;
    icmp->icmp_code = 0;
    icmp->icmp_cksum = 0;
    icmp->icmp_seq = pack_no;
    icmp->icmp_id = pid;
    packsize = 8 + g_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 (g_nsend < MAX_NO_PACKETS)
    {
        g_nsend++;
        packetsize = pack(g_nsend); /*设置ICMP报头 */
        if (sendto(g_sockFd, g_sendPacketBuf, 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 */
    }
}

/*接收所有ICMP报文*/
void recv_packet()
{
    int n, fromlen;
    extern int errno;

    signal(SIGALRM, statistics);
    fromlen = sizeof(from);
    while (g_nreceived < g_nsend)
    {
        alarm(MAX_WAIT_TIME);
        if ((n = recvfrom(g_sockFd, g_recvPacket, sizeof(g_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(g_recvPacket, n) == -1)
            continue;
        g_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;
    iphdrlen = ip->ip_hl << 2; /*求ip报头长度,即ip报头的长度标志乘4 */
    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;
    int size = 50 * 1024;

    if (argc < 2)
    {
        printf("usage:%s hostname/IP address\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    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 ((g_sockFd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol->p_proto)) < 0)
    {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    printf("user id :%d\n", getuid());
    /* 回收root权限,设置当前用户权限 */
    setuid(getuid());

    printf("userid:%d,effect user:%d\n", getuid(), geteuid());

    /*
     * 扩大套接字接收缓冲区到50K这样做主要为了减小接收缓冲区溢出的
     * 的可能性,若无意中ping一个广播地址或多播地址,将会引来大量应答
     */
    setsockopt(g_sockFd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size));
    bzero(&dest_addr, sizeof(dest_addr));
    dest_addr.sin_family = AF_INET;

    /*判断是主机名还是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 = inaddr;

    /*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), g_dataLen);
    send_packet(); /*发送所有ICMP报文 */
    recv_packet(); /*接收所有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;
}

/*------------- The End -----------*/