用C程序?qū)崿F(xiàn)Ping功能

[摘自IBM DevelopWorks 梁俊輝 (zeusliang@21cn.com)]


大部分人用ping命令只是作為查看另一個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接是否正常的一種簡單方法。在這篇文章中，作者將介紹如何用C語言編寫一個模擬ping命令功能的程序。
ping命令是用來查看網(wǎng)絡(luò)上另一個主機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接是否正常的一個工具。ping命令的工作原理是：向網(wǎng)絡(luò)上的另一個主機系統(tǒng)發(fā)送ICMP報文，如果指定系統(tǒng)得到了報文，它將把報文一模一樣地傳回給發(fā)送者，這有點象潛水艇聲納系統(tǒng)中使用的發(fā)聲裝置。

例如，在Linux終端上執(zhí)行ping　localhost命令將會看到以下結(jié)果:
PING localhost.localdomain (127.0.0.1) from 127.0.0.1 : 56(84) bytes of data.
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=0 ttl=255 time=112 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=1 ttl=255 time=79 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=2 ttl=255 time=78 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=3 ttl=255 time=82 usec

--- localhost.localdomain ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max/mdev = 0.078/0.087/0.112/0.018 ms




由上面的執(zhí)行結(jié)果可以看到，ping命令執(zhí)行后顯示出被測試系統(tǒng)主機名和相應(yīng)IP地址、返回給當(dāng)前主機的ICMP報文順序號、ttl生存時間和往返時間rtt（單位是毫秒，即千分之一秒）。要寫一個模擬ping命令，這些信息有啟示作用。

要真正了解ping命令實現(xiàn)原理，就要了解ping命令所使用到的TCP/IP協(xié)議。

ICMP(Internet Control Message,網(wǎng)際控制報文協(xié)議)是為網(wǎng)關(guān)和目標(biāo)主機而提供的一種差錯控制機制，使它們在遇到差錯時能把錯誤報告給報文源發(fā)方。ICMP協(xié)議是IP層的一個協(xié)議，但是由于差錯報告在發(fā)送給報文源發(fā)方時可能也要經(jīng)過若干子網(wǎng)，因此牽涉到路由選擇等問題，所以ICMP報文需通過IP協(xié)議來發(fā)送。ICMP數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)發(fā)送前需要兩級封裝：首先添加ICMP報頭形成ICMP報文，再添加IP報頭形成IP數(shù)據(jù)報。如下圖所示

IP報頭 
ICMP報頭 
ICMP數(shù)據(jù)報 


IP報頭格式 
由于IP層協(xié)議是一種點對點的協(xié)議，而非端對端的協(xié)議，它提供無連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)，沒有端口的概念，因此很少使用bind()和connect()函數(shù)，若有使用也只是用于設(shè)置IP地址。發(fā)送數(shù)據(jù)使用sendto()函數(shù)，接收數(shù)據(jù)使用recvfrom()函數(shù)。IP報頭格式如下圖： 


在Linux中，IP報頭格式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)()定義如下： 
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 */
};



其中ping程序只使用以下數(shù)據(jù)： 

IP報頭長度IHL（Internet Header Length）――以４字節(jié)為一個單位來記錄IP報頭的長度，是上述IP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的ip_hl變量。 
生存時間TTL（Time To Live）――以秒為單位，指出IP數(shù)據(jù)報能在網(wǎng)絡(luò)上停留的最長時間，其值由發(fā)送方設(shè)定，并在經(jīng)過路由的每一個節(jié)點時減一，當(dāng)該值為０時，數(shù)據(jù)報將被丟棄，是上述IP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的ip_ttl變量。

ICMP報頭格式 
ICMP報文分為兩種，一是錯誤報告報文，二是查詢報文。每個ICMP報頭均包含類型、編碼和校驗和這三項內(nèi)容，長度為８位，８位和１６位，其余選項則隨ICMP的功能不同而不同。

Ping命令只使用眾多ICMP報文中的兩種："請求回送"(ICMP_ECHO)和"請求回應(yīng)"(ICMP_ECHOREPLY)。在Linux中定義如下： 
#define ICMP_ECHO 0
#define ICMP_ECHOREPLY 8



這兩種ICMP類型報頭格式如下：



在Linux中ICMP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)()定義如下： 
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
};




使用宏定義令表達更簡潔,其中ICMP報頭為８字節(jié),數(shù)據(jù)報長度最大為64K字節(jié)。 

校驗和算法――這一算法稱為網(wǎng)際校驗和算法，把被校驗的數(shù)據(jù)１６位進行累加，然后取反碼，若數(shù)據(jù)字節(jié)長度為奇數(shù)，則數(shù)據(jù)尾部補一個字節(jié)的０以湊成偶數(shù)。此算法適用于IPv4、ICMPv4、IGMPV4、ICMPv6、UDP和TCP校驗和，更詳細的信息請參考RFC1071，校驗和字段為上述ICMP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的icmp_cksum變量。 
標(biāo)識符――用于唯一標(biāo)識ICMP報文, 為上述ICMP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的icmp_id宏所指的變量。 
順序號――ping命令的icmp_seq便由這里讀出，代表ICMP報文的發(fā)送順序，為上述ICMP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的icmp_seq宏所指的變量。

ICMP數(shù)據(jù)報 
Ping命令中需要顯示的信息，包括icmp_seq和ttl都已有實現(xiàn)的辦法，但還缺rtt往返時間。為了實現(xiàn)這一功能，可利用ICMP數(shù)據(jù)報攜帶一個時間戳。使用以下函數(shù)生成時間戳： 
#include 
int gettimeofday(struct timeval *tp,void *tzp)
其中timeval結(jié)構(gòu)如下：
struct timeval{
long tv_sec;
long tv_usec;
}



其中tv_sec為秒數(shù)，tv_usec微秒數(shù)。在發(fā)送和接收報文時由gettimeofday分別生成兩個timeval結(jié)構(gòu)，兩者之差即為往返時間,即ICMP報文發(fā)送與接收的時間差，而timeval結(jié)構(gòu)由ICMP數(shù)據(jù)報攜帶,tzp指針表示時區(qū)，一般都不使用，賦NULL值。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計 
系統(tǒng)自帶的ping命令當(dāng)它接送完所有ICMP報文后，會對所有發(fā)送和所有接收的ICMP報文進行統(tǒng)計，從而計算ICMP報文丟失的比率。為達此目的，定義兩個全局變量：接收計數(shù)器和發(fā)送計數(shù)器，用于記錄ICMP報文接受和發(fā)送數(shù)目。丟失數(shù)目=發(fā)送總數(shù)-接收總數(shù)，丟失比率=丟失數(shù)目/發(fā)送總數(shù)。

現(xiàn)給出模擬Ping程序功能的代碼如下： 
/***********************************************************
* 作者:梁俊輝 *
* 時間:2001年10月 *
* 名稱：myping.c *
* 說明:本程序用于演示ping命令的實現(xiàn)原理 *
***********************************************************/
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define PACKET_SIZE 4096
#define MAX_WAIT_TIME 5
#define MAX_NO_PACKETS 3

char sendpacket[PACKET_SIZE];
char recvpacket[PACKET_SIZE];
int sockfd,datalen=56;
int nsend=0,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",nsend,nreceived,
(nsend-nreceived)/nsend*100);
close(sockfd);
exit(1);
}
/*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(shù)據(jù)以2字節(jié)為單位累加起來*/
while(nleft>1)
{ sum+=*w++;
nleft-=2;
}
/*若ICMP報頭為奇數(shù)個字節(jié)，會剩下最后一字節(jié)。把最后一個字節(jié)視為一個2字節(jié)數(shù)據(jù)的高字節(jié)，這個2字節(jié)數(shù)據(jù)的低字節(jié)為0，繼續(xù)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;
}
/*設(shè)置ICMP報頭*/
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); /*記錄發(fā)送時間*/
icmp->icmp_cksum=cal_chksum( (unsigned short *)icmp,packsize); /*校驗算法*/
return packsize;
}

/*發(fā)送三個ICMP報文*/
void send_packet()
{ int packetsize;
while( nsend { nsend++;
packetsize=pack(nsend); /*設(shè)置ICMP報頭*/
if( sendto(sockfd,sendpacket,packetsize,0,
(struct sockaddr *)&dest_addr,sizeof(dest_addr) )<0 )
{ perror("sendto error");
continue;
}
sleep(1); /*每隔一秒發(fā)送一個ICMP報文*/
}
}

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

signal(SIGALRM,statistics);
fromlen=sizeof(from);
while( nreceived { 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); /*記錄接收時間*/
if(unpack(recvpacket,n)==-1)continue;
nreceived++;
}

}
/*剝?nèi)CMP報頭*/
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報頭長度,即ip報頭的長度標(biāo)志乘4*/
icmp=(struct icmp *)(buf+iphdrlen); /*越過ip報頭,指向ICMP報頭*/
len-=iphdrlen; /*ICMP報頭及ICMP數(shù)據(jù)報的總長度*/
if( len<8) /*小于ICMP報頭長度則不合理*/
{ printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
return -1;
}
/*確保所接收的是我所發(fā)的的ICMP的回應(yīng)*/
if( (icmp->icmp_type==ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id==pid) )
{ tvsend=(struct timeval *)icmp->icmp_data;
tv_sub(&tvrecv,tvsend); /*接收和發(fā)送的時間差*/
rtt=tvrecv.tv_sec*1000+tvrecv.tv_usec/1000; /*以毫秒為單位計算rtt*/
/*顯示相關(guān)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;
}

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,這種套接字只有root才能生成*/
if( (sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto) )<0)
{ perror("socket error");
exit(1);
}
/* 回收root權(quán)限,設(shè)置當(dāng)前用戶權(quán)限*/
setuid(getuid());
/*擴大套接字接收緩沖區(qū)到50K這樣做主要為了減小接收緩沖區(qū)溢出的
的可能性,若無意中ping一個廣播地址或多播地址,將會引來大量應(yīng)答*/
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,&size,sizeof(size) );
bzero(&dest_addr,sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family=AF_INET;

/*判斷是主機名還是ip地址*/
if( inaddr=inet_addr(argv[1])==INADDR_NONE)
{ if((host=gethostbyname(argv[1]) )==NULL) /*是主機名*/
{ perror("gethostbyname error");
exit(1);
}
memcpy( (char *)&dest_addr.sin_addr,host->h_addr,host->h_length);
}
else /*是ip地址*/
memcpy( (char *)&dest_addr,(char *)&inaddr,host->h_length);
/*獲取main的進程id,用于設(shè)置ICMP的標(biāo)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(); /*發(fā)送所有ICMP報文*/
recv_packet(); /*接收所有ICMP報文*/
statistics(SIGALRM); /*進行統(tǒng)計*/

return 0;

}
/*兩個timeval結(jié)構(gòu)相減*/
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 -----------*/




特別注意 
只有root用戶才能利用socket()函數(shù)生成原始套接字，要讓Linux的一般用戶能執(zhí)行以上程序，需進行如下的特別操作：

用root登陸，編譯以上程序：gcc -o myping myping.c，其目的有二：一是編譯，二是讓myping屬于root用戶。

再執(zhí)行chmod u+s myping，目的是把myping程序設(shè)成SUID的屬性。

退出root，用一般用戶登陸，執(zhí)行./myping www.cn.ibm.com，有以下執(zhí)行結(jié)果： 
PING www.cn.ibm.com(202.95.2.148): 56 bytes data in ICMP packets.
64 byte from 202.95.2.148: icmp_seq=1 ttl=242 rtt=3029.000 ms
64 byte from 202.95.2.148: icmp_seq=2 ttl=242 rtt=2020.000 ms
64 byte from 202.95.2.148: icmp_seq=3 ttl=242 rtt=1010.000 ms

--------------------PING statistics-------------------
3 packets transmitted, 3 received , %0 lost




由于myping.c是發(fā)送完所有的ICMP報文才去接收，因此第一、第二和第三個ICMP報文的往返時間依此是3秒，２秒，１秒，上述結(jié)果中rtt信息正反映這一事實。

作者簡介 
梁俊輝,對Linux的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和程序設(shè)計有濃厚興趣,并且專注于這一方面研究，在IBM developerWorks――Linux專區(qū)上發(fā)表過《NEWT程序設(shè)計指南》一文。