Ping程序的C語言編程

　　大部分人用ping命令只是作為查看另一個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接是否正常的一種簡(jiǎn)單方法。在這篇文章中，作者將介紹如何用C語言編寫一個(gè)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(gè)主機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接是否正常的一個(gè)工具。ping命令的工作原理是：向網(wǎng)絡(luò)上的另一個(gè)主機(jī)系統(tǒng)發(fā)送ICMP報(bào)文，如果指定系統(tǒng)得到了報(bào)文，它將把報(bào)文一模一樣地傳回給發(fā)送者，這有點(diǎn)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(huì)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(cè)試系統(tǒng)主機(jī)名和相應(yīng)IP地址、返回給當(dāng)前主機(jī)的ICMP報(bào)文順序號(hào)、ttl生存時(shí)間和往返時(shí)間rtt(單位是毫秒，即千分之一秒)。要寫一個(gè)模擬ping命令，這些信息有啟示作用。

　　要真正了解ping命令實(shí)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(bào)文協(xié)議)是為網(wǎng)關(guān)和目標(biāo)主機(jī)而提供的一種差錯(cuò)控制機(jī)制，使它們?cè)谟龅讲铄e(cuò)時(shí)能把錯(cuò)誤報(bào)告給報(bào)文源發(fā)方。ICMP協(xié)議是IP層的一個(gè)協(xié)議，但是由于差錯(cuò)報(bào)告在發(fā)送給報(bào)文源發(fā)方時(shí)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(bào)文需通過IP協(xié)議來發(fā)送。ICMP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)發(fā)送前需要兩級(jí)封裝：首先添加ICMP報(bào)頭形成ICMP報(bào)文，再添加IP報(bào)頭形成IP數(shù)據(jù)報(bào)。如下圖所示

　　IP報(bào)頭

　　ICMP報(bào)頭

　　ICMP數(shù)據(jù)報(bào)

　　IP報(bào)頭格式

　　由于IP層協(xié)議是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的協(xié)議，而非端對(duì)端的協(xié)議，它提供無連接的數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)頭格式如下圖：

　　在Linux中，IP報(bào)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(bào)頭長(zhǎng)度IHL(Internet Header Length)?D?D以4字節(jié)為一個(gè)單位來記錄IP報(bào)頭的長(zhǎng)度，是上述IP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的ip_hl變量。

　　生存時(shí)間TTL(Time To Live)?D?D以秒為單位，指出IP數(shù)據(jù)報(bào)能在網(wǎng)絡(luò)上停留的最長(zhǎng)時(shí)間，其值由發(fā)送方設(shè)定，并在經(jīng)過路由的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)減一，當(dāng)該值為0時(shí)，數(shù)據(jù)報(bào)將被丟棄，是上述IP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的ip_ttl變量。

　　ICMP報(bào)頭格式

　　ICMP報(bào)文分為兩種，一是錯(cuò)誤報(bào)告報(bào)文，二是查詢報(bào)文。每個(gè)ICMP報(bào)頭均包含類型、編碼和校驗(yàn)和這三項(xiàng)內(nèi)容，長(zhǎng)度為8位，8位和16位，其余選項(xiàng)則隨ICMP的功能不同而不同。

　　Ping命令只使用眾多ICMP報(bào)文中的兩種："請(qǐng)求回送'(ICMP_ECHO)和"請(qǐng)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(bào)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(dá)更簡(jiǎn)潔,其中ICMP報(bào)頭為8字節(jié),數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度最大為64K字節(jié)。

　　校驗(yàn)和算法?D?D這一算法稱為網(wǎng)際校驗(yàn)和算法，把被校驗(yàn)的數(shù)據(jù)16位進(jìn)行累加，然后取反碼，若數(shù)據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度為奇數(shù)，則數(shù)據(jù)尾部補(bǔ)一個(gè)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(yàn)和，更詳細(xì)的信息請(qǐng)參考RFC1071，校驗(yàn)和字段為上述ICMP 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的icmp_cksum變量。

　　標(biāo)識(shí)符?D?D用于唯一標(biāo)識(shí)ICMP報(bào)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(hào)?D?Dping命令的icmp_seq便由這里讀出，代表ICMP報(bào)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(bào)

　　Ping命令中需要顯示的信息，包括icmp_seq和ttl都已有實(shí)現(xiàn)的辦法，但還缺rtt往返時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，可利用ICMP數(shù)據(jù)報(bào)攜帶一個(gè)時(shí)間戳。使用以下函數(shù)生成時(shí)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?qǐng)?bào)文時(shí)由gettimeofday分別生成兩個(gè)timeval結(jié)構(gòu)，兩者之差即為往返時(shí)間,即 ICMP報(bào)文發(fā)送與接收的時(shí)間差，而timeval結(jié)構(gòu)由ICMP數(shù)據(jù)報(bào)攜帶,tzp指針表示時(shí)區(qū)，一般都不使用，賦NULL值。

　　數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

　　系統(tǒng)自帶的ping命令當(dāng)它接送完所有ICMP報(bào)文后，會(huì)對(duì)所有發(fā)送和所有接收的ICMP報(bào)文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而計(jì)算ICMP報(bào)文丟失的比率。為達(dá)此目的，定義兩個(gè)全局變量：接收計(jì)數(shù)器和發(fā)送計(jì)數(shù)器，用于記錄ICMP報(bào)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(shí)間:2001年10月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 *

　　* 名稱：myping.c　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　*

　　* 說明:本程序用于演示ping命令的實(shí)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("

　　--------------------PING statistics-------------------

　　");

　　printf("%d packets transmitted, %d received , %%%d lost

　　",nsend,nreceived,

　　(nsend-nreceived)/nsend*100);

　　close(sockfd);

　　exit(1);

　　}

　　/*校驗(yàn)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(bào)頭二進(jìn)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(bào)頭為奇數(shù)個(gè)字節(jié)，會(huì)剩下最后一字節(jié)。把最后一個(gè)字節(jié)視為一個(gè)2字節(jié)數(shù)據(jù)的高字節(jié)，這個(gè)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(bào)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(shí)間*/

　　icmp->icmp_cksum=cal_chksum( (unsigned short *)icmp,packsize); /*校驗(yàn)算法*/

　　return packsize;

　　}

　　/*發(fā)送三個(gè)ICMP報(bào)文*/

　　void send_packet()

　　{　　　 int packetsize;

　　while( nsend

　　{　　　 nsend++;

　　packetsize=pack(nsend); /*設(shè)置ICMP報(bào)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(gè)ICMP報(bào)文*/

　　}

　　}

　　/*接收所有ICMP報(bào)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(shí)間*/

　　if(unpack(recvpacket,n)==-1)continue;

　　nreceived++;

　　}

　　}

　　/*剝?nèi)CMP報(bào)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(bào)頭長(zhǎng)度,即ip報(bào)頭的長(zhǎng)度標(biāo)志乘4*/

　　icmp=(struct icmp *)(buf+iphdrlen);　/*越過ip報(bào)頭,指向ICMP報(bào)頭*/

　　len-=iphdrlen;　　　　　　/*ICMP報(bào)頭及ICMP數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度*/

　　if( len<8)　　　　　　　　/*小于ICMP報(bào)頭長(zhǎng)度則不合理*/

　　{　　　 printf("ICMP packets's length is less than 8

　　");

　　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(shí)間差*/

　　rtt=tvrecv.tv_sec*1000+tvrecv.tv_usec/1000;　/*以毫秒為單位計(jì)算rtt*/

　　/*顯示相關(guān)信息*/

　　printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%.3f ms

　　",

　　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

　　",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(kuò)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(gè)廣播地址或多播地址,將會(huì)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(jī)名還是ip地址*/

　　if( inaddr=inet_addr(argv[1])==INADDR_NONE)

　　{　　　 if((host=gethostbyname(argv[1]) )==NULL) /*是主機(jī)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(jìn)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.

　　",argv[1],

　　inet_ntoa(dest_addr.sin_addr),datalen);

　　send_packet();　/*發(fā)送所有ICMP報(bào)文*/

　　recv_packet();　/*接收所有ICMP報(bào)文*/

　　statistics(SIGALRM); /*進(jìn)行統(tǒng)計(jì)*/

　　return 0;

　　}

　　/*兩個(gè)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(jìn)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(bào)文才去接收，因此第一、第二和第三個(gè)ICMP報(bào)文的往返時(shí)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(shí)。