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每一天两个

Linux 编程之 Ping 的实现

PING(Packet InterNet
Groper)汉语名称为因特网包索求器,是用来查阅网络上另三个主机系统的网络连接是不是符合规律的二个工具。ping命令的办事规律是:向网络上的另二个主机系统一发布送ICMP报文,若是内定系统拿到了报文,它将把恢复生机报文字传递回给发送者,那有一些象潜水艇声纳系统中接受的失声装置。所以,大家想清楚小编那台主机能不可能和另风度翩翩台进行通讯,我们率先须求显著的是我们两台主机间的互联网是或不是通的,也便是自个儿说的话能还是无法传到你这里,那是四头进行通讯的前提。在Linux下利用指令ping的办法和境况如下:

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PING的兑现看起来并不复杂,笔者想和煦写代码完结那一个意义,供给些什么文化储备?作者轻便罗列了生机勃勃晃:

  • ICMP公约的精通
  • RAW套接字
  • 网络封包和平解决包工夫

搭建这么三个ping程序的步骤如下:

  1. ICMP包的卷入和平解决封
  2. 始建多少个线程用于ICMP包的出殡和下葬
  3. 开创三个线程用于ICMP包的选用
  4. 原始套接字编制程序

PING的流程如下:

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黄金时代、ICMP包的包裹和平解决封

(1) ICMP商业事务精通

要拓宽PING的支付,大家第风流洒脱须要精通PING的落实是依附ICMP左券来开荒的。要拓宽ICMP包的卷入和解封,大家首先须要知道ICMP左券。ICMP坐落于网络层,允许主机也许路由器报告差错境况和提供关于格外意况的告知。ICMP报文是封装在IP数据报中,作为内部的数目部分。ICMP报文作为IP层数据报的数目,加上数量报头,组成IP数据报发送出去。ICMP报文格式如下:

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ICMP报文的品种有三种,即ICMP差错报告报文和ICMP询问报文。PING程序行使的ICMP报文仲类为ICMP询问报文。注意一下地点谈到的ICMP报文格式中的“类型”字段,大家在组包的时候可以向该字段填写差异的值来标定该ICMP报文的品类。上面列出的是两种常用的ICMP报文类型。

新蒲京娱乐场777 4

咱俩的PING程序须求利用的ICMP的花色是回送央浼(8)。

因为ICMP报文的切实格式会因为ICMP报文的类型而各不相通,我们ping包的格式是这么的:

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(2) ICMP包的组装

新蒲京娱乐场777 ,相比较之下上面包车型地铁ping包格式,大家封装ping包的代码能够那样写:

void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length)
{
    int i = 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((unsigned short*)icmphdr, length); //校验和计算
}

此间一再提示一下,icmp_cksum
必得先填写为0再执行校验和算法计算,不然ping时对方主机缘因为校验和总括错误而遗弃需要包,导致ping的挫败。作者叁个同事早已就因为那样一个错误而逐个审查许久,血的教诲请深深记住。

那边大致介绍一下checksum(校验和)。

微处理机网络通讯时,为了检查在数额传输进度中多少是不是发生了不当,常常在传输数据的时候连同校验和一块传输,当选择端接纳多少时候会从新总结校验和,倘诺与原校验和莫衷一是就视为出错,放任该数据包,并回到icmp报文。

算法基本思路:

IP/ICMP/I青霉素P/TCP/UDP等协商的校验和算法皆以千篇大器晚成律的,接纳的都以将数据流视为16人整数流进行重复叠合总结。为了总结核准和,首先把检察和字段置为0。然后,对有效数据范围之中各样十七人展开二进制反码求和,结果存在检查和字段中,借使数据长度为奇数则补一字节0。当接过数量后,同样对有效数据范围中各样拾多个人数实行二进制反码的求和。由于选拔方在测算进度中含有了发送方存在首部中的查验和,因而,要是首部在传输进程中并未有生出别的错误,那么选取方总括的结果应为全0或全1(具体看贯彻了,本质同样State of Qatar。假使结果不是全0或全1,那么表示数据失实。

/*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;
}

(3) ICMP包的解包

知晓怎么封装包,那解包就也轻松了,注意的是,收到叁个ICMP包,大家毫不就以为那些包正是我们发出去的ICMP回送回答包,大家需求加生机勃勃层代码来判断该ICMP报文的id和seq字段是不是适合我们发送的ICMP报文的装置,来验证ICMP回复包的不易。

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, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\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, "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("%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、发包线程的搭建

基于PING程序的框架,我们须要树立叁个线程用于ping包的出殡,笔者的主见是那样的:使用sendto实行发包,发包速率我们保证在1秒1发,大家要求用三个全局变量记录第叁个ping包发生的岁月,除外,咱们还索要三个全局变量来记录大家发出的ping包到底有多少个,这七个变量用于后来收到ping包回复后的数量计算。

void ping_send()
{
    char send_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)
    {
        int size = 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((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封装icmp包
        size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
        send_count++; //记录发出ping包的数量
        if(size < 0)
        {
            fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");
            continue;
        }

        sleep(1);
    }
}

三、收包线程的搭建

笔者们相符创制一个收受包的线程,这里大家应用select函数实行收包,并为select函数设置超时时间为200us,若爆发超时,则进行下二个循环。相像地,大家也亟需四个全局变量来记录成功选取到的ping回复包的数据。

void ping_recv()
{
    struct timeval tv;
    tv.tv_usec = 200;  //设置select函数的超时时间为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); //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、中断管理

大家规定了贰次ping发送的包的最大值为陆十四个,若高于该数值就终止发送。作为PING的使用者,我们平日只会发送若干个包,若有那多少个包顺手再次回到,大家就crtl+c中断ping。这里的代码主纵然为中断实信号写二个搁浅管理函数,将alive这么些全局变量设置为0,进而使出殡和下葬ping包的巡回结束而终结程序。

void icmp_sigint(int signo)
{
    alive = 0;
    gettimeofday(&end_time, NULL);
    time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);
}

signal(SIGINT, icmp_sigint);

五、总体达成

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>

#define PACKET_SEND_MAX_NUM 64

typedef struct ping_packet_status
{
    struct timeval begin_time;
    struct timeval end_time;
    int flag;   //发送标志,1为已发送
    int seq;     //包的序列号
}ping_packet_status;

ping_packet_status ping_packet[PACKET_SEND_MAX_NUM];

int alive;
int rawsock;
int send_count;
int recv_count;
pid_t pid;
struct sockaddr_in dest;
struct timeval start_time;
struct timeval end_time;
struct timeval time_interval;

/*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;
}

struct timeval cal_time_offset(struct timeval begin, struct timeval end)
{
    struct timeval ans;
    ans.tv_sec = end.tv_sec - begin.tv_sec;
    ans.tv_usec = end.tv_usec - begin.tv_usec;
    if(ans.tv_usec < 0) //如果接收时间的usec小于发送时间的usec,则向sec域借位
    {
        ans.tv_sec--;
        ans.tv_usec+=1000000;
    }
    return ans;
}

void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length)
{
    int i = 0;

    icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO;
    icmphdr->icmp_code = 0;
    icmphdr->icmp_cksum = 0;
    icmphdr->icmp_seq = seq;
    icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff;
    for(i=0;i<length;i++)
    {
        icmphdr->icmp_data[i] = i;
    }

    icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length);
}

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);
    len-=iphdr_len;  //icmp包长度
    if(len < 8)   //判断长度是否为ICMP包长度
    {
        fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\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, "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;
        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("%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;
}

void ping_send()
{
    char send_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)
    {
        int size = 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((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封装icmp包
        size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
        send_count++; //记录发出ping包的数量
        if(size < 0)
        {
            fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");
            continue;
        }

        sleep(1);
    }
}

void ping_recv()
{
    struct timeval tv;
    tv.tv_usec = 200;  //设置select函数的超时时间为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); //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;
        }

    }
}

void icmp_sigint(int signo)
{
    alive = 0;
    gettimeofday(&end_time, NULL);
    time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);
}

void ping_stats_show()
{
    long time = time_interval.tv_sec*1000+time_interval.tv_usec/1000;
    /*注意除数不能为零,这里send_count有可能为零,所以运行时提示错误*/
    printf("%d packets transmitted, %d recieved, %d%c packet loss, time %ldms\n",
        send_count, recv_count, (send_count-recv_count)*100/send_count, '%', time);
}

int main(int argc, char* argv[])
{
    int size = 128*1024;//128k
    struct protoent* protocol = NULL;
    char dest_addr_str[80];
    memset(dest_addr_str, 0, 80);
    unsigned int inaddr = 1;
    struct hostent* host = NULL;

    pthread_t send_id,recv_id;

    if(argc < 2)
    {
        printf("Invalid IP ADDRESS!\n");
        return -1;
    }

    protocol = getprotobyname("icmp"); //获取协议类型ICMP
    if(protocol == NULL)
    {
        printf("Fail to getprotobyname!\n");
        return -1;
    }

    memcpy(dest_addr_str, argv[1], strlen(argv[1])+1);

    rawsock = socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto);
    if(rawsock < 0)
    {
        printf("Fail to create socket!\n");
        return -1;
    }

    pid = getpid();

    setsockopt(rawsock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size)); //增大接收缓冲区至128K

    bzero(&dest,sizeof(dest));

    dest.sin_family = AF_INET;

    inaddr = inet_addr(argv[1]);
    if(inaddr == INADDR_NONE)   //判断用户输入的是否为IP地址还是域名
    {
        //输入的是域名地址
        host = gethostbyname(argv[1]);
        if(host == NULL)
        {
            printf("Fail to gethostbyname!\n");
            return -1;
        }

        memcpy((char*)&dest.sin_addr, host->h_addr, host->h_length);
    }
    else
    {
        memcpy((char*)&dest.sin_addr, &inaddr, sizeof(inaddr));//输入的是IP地址
    }
    inaddr = dest.sin_addr.s_addr;
    printf("PING %s, (%d.%d.%d.%d) 56(84) bytes of data.\n",dest_addr_str,
        (inaddr&0x000000ff), (inaddr&0x0000ff00)>>8, 
        (inaddr&0x00ff0000)>>16, (inaddr&0xff000000)>>24);

    alive = 1;  //控制ping的发送和接收

    signal(SIGINT, icmp_sigint);

    if(pthread_create(&send_id, NULL, (void*)ping_send, NULL))
    {
        printf("Fail to create ping send thread!\n");
        return -1;
    }

    if(pthread_create(&recv_id, NULL, (void*)ping_recv, NULL))
    {
        printf("Fail to create ping recv thread!\n");
        return -1;
    }

    pthread_join(send_id, NULL);//等待send ping线程结束后进程再结束
    pthread_join(recv_id, NULL);//等待recv ping线程结束后进程再结束

    ping_stats_show();

    close(rawsock);
    return 0;

}

编写翻译以致实验现象如下:

笔者的试验景况是两台服务器,发起ping的主机是172.0.5.183,被ping的主机是172.0.5.182,以下是本身的三次尝试现象(ping
IP和ping 域名)。

非常注意: 

独有root客商技艺接纳socket(卡塔尔函数生成原始套接字,要让Linux的貌似顾客能实施以上程序,需进行如下的特地操作:用root登录,编写翻译以上程序gcc
-lpthread -o ping ping.c

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试验现象能够看出,PING是打响的,申明两主机间的互连网是通的,发出的装有ping包都收下了回复。

下边是Linux系统自带的PING程序,我们得以对照一下我们设计的PING程序跟系统自带的PING程序有什么不一样。

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