Linux 网络编程基础(4) -- Ping 的C代码实现

1、背景

　　在进行网络编程的时候，通常使用的协议有TCP协议，UDP协议。这些协议在简历套接字之初需要制定套接字的类型，比如TCP应当设置为 SOCK_STREAM,

UDP对应的套接字应当设置为SOCK_DGRAM。但是这些套接字并非能够提供网络所需的全部功能，我们还需要其他的套接字，比如原始套接字OCK_RAW。原始

套接字可以提供SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM所不及的能力。比如：

（1）有了原始套接字，进程可以读取ICMPV4、ICMPV6、IGMP等的分组。正如ping所使用的套接字，就是SOCK_RAW类型的。这样使得使用ICMP和IGMP的程

完全能够作为用户进程处理，而无需向内核添加代码。

（2）有了原始套接字，进程可以处理内核不处理其协议字段的IPV4数据报。

（3）有了原始套接字，进程使用IP_HDRINCL套接字选项定制自己的IPV4头部。

　　当然，上述的三个功能，并不是本文都要涉及的；只关注第一个能力，编写代码，实现ping程序。

2、基本使用

　　a.定义原始套接字与定义其他套接字没有形式上的巨大差别。

　　int sockfd;

　　sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol);

　　protocol 的值是型为 IPPROTO_XXX的量，这些量定义在<netinet/in.h>中，比如ping使用的 IPPROTO_ICMP（关于IPV6的实现，再后续补充）。

　　只有超级用户才可以创建SOCK_RAW类型的套接字。

　　b. 原始套接字并不存在端口的概念。可以在原始套接字上调用bind函数，但是这么做并不常见。bind函数会设置发送数据报的源IP地址，如果没有使用

　　bind函数，那么内核将出发的借口地址作为源地址。

　　c. 同样，一般不会使用connect函数，connect函数会指定目的地址，但是因为原始套接字不存在端口概念，所以connect函数并不重要了。

　　使用sendto函数发送原始套接字的数据。

3、ping简介

　　ping是检查网络是否通畅或者网络连接速度的命令，它的原理是想服务端发送一个定长的数据包，再要求对方返回一个同样大小的数据包来确定两台网络机器

是否连接相通，延迟是多少。

先看一下，ip协议的头部和ICMP协议的头部。



　　IP头部一般在ICMP协议中没有附加数据，所以IP头部的长度为20字节，ICMP头部的长度为8字节，规定ICMP数据包的数据部分为56字节，那么最终使用的

ICMP的数据包的长度为64字节。

ICMP的头部数据结构：

在Linux中定义了不同协议的头部信息，对于ICMP协议的头部定义如下</include/linux/icmp.h>：

struct icmphdr {
unsigned char        type;     //标记当前ICMP数据包的类型 ECHO、ECHOREPLY等等。
unsigned char        code;     //code取值与type协同，或者对type具体化
unsigned short   checksum;　　 //校验和
union {
struct {
unsigned short    id;
unsigned short    sequence;
} echo;
unsigned long gateway;
} un;
};

这个ICMP的头部可能与最新的版本不太一致，但是基本结构是类似的。从这个结构可以计算出来，对于32位的机器来说，这个头部的长度就是8字节。

IP头部如果不考虑附加信息的话，固定长度应该为20字节。当然在ping代码中，我们并不考虑IP头部的初始化等操作，只是了解一下。

struct iphdr {
#if defined(LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)
__u8    ihl:4,
version:4;
#elif defined (BIG_ENDIAN_BITFIELD)
__u8    version:4,
ihl:4;
#else
#error    "Please fix <asm/byteorder.h>"
#endif
__u8     tos;
__u16    tot_len;
__u16    id;
__u16    frag_off;
__u8     ttl;
__u8     protocol;
__u16    check;
__u32    saddr;
__u32    daddr;
/*The options start here. */
};

基本的头部信息就介绍到这里，现在说一下，发送和接收ICMP数据包的过程。

　　对于一个ICMP数据包来说，我们要做的大致分为这么几步：

　　1、申请一个空间sendbuf，对这个缓冲区内容的更改结果，作为我们生成的ICMP数据包。

　　2、在写入ICMP的头部以后，将这个缓冲区的内容交给原始套接字发送，并等待服务端的ICMP回复。

　　3、收到返回的数据放入recvbuf中，此时收到的数据，是包含了IP头部的，我们首先解析IP头部，然后解析ICMP头部，最后解析数据包的内容。

　　4、循环往复上述步骤。

　　说起来容易做起来就就不容易了。现在一步一步的做吧。

首先，我们要发送一个ICMP数据包，那目的IP地址要知道的，但是一般IP都记不住的，而且有的服务器IP地址有很多，所以我们一般都是通过域名来获取IP

地址。相对gethostent()函数，getaddrinfo()更加优秀一些，怎么个优秀法，咱们别处再说，在这里只说怎么获取的。代码丑陋，将就看。

void GetAddrInfo(char *host, char *canonname, char *ip_char, int *sockfamily,
socklen_t *addrlen, struct sockaddr *send_addr){

int i = 0;
int retval = 0;
char IPParse[20];
char *service = "domain";
struct addrinfo hint ;
struct addrinfo *result, *p, *q;

memset(&hint, 0, sizeof(hint));
hint.ai_flags = AI_CANONNAME;
hint.ai_family = AF_INET;

retval = getaddrinfo(host, service, &hint, &result);

if(retval != 0)
return  ;

printf("We successfully get access to the Host %s\n",host);

if(result->ai_flags == AI_CANONNAME){
printf("AI_CANONNAMW\n");
strcpy(canonname, result->ai_canonname);
}

if(result->ai_family == AF_INET){
printf("AF_INET\n");
*sockfamily = result->ai_family;
}
if(result->ai_addr){
inet_ntop(result->ai_family, (void *)result->ai_addr, ip_char,  result->ai_addrlen);
*send_addr = *(result->ai_addr);            // CANONNAME 对应的IP地址
printf("IP Address We Get Is %s\n",ip_char);
}
if(result->ai_addrlen > 0)
*addrlen = result->ai_addrlen;

i=0;    //虽然函数回调后会自动释放内存，但是显示的释放还是可取的
p = result;
q = p->ai_next;
while(p)
{
q = p->ai_next;
free(p);
p = q;
i++;
}
printf("There are %d Address Here\n",i);
}

　　运行这个函数，会发现result链表中的IP地址都一样，这是咋回事呢？这与getaddrinfo()中的参数hint有关，怎么个关系，不讨论。我们知道这个函数可以

获得一个可用的IP地址结构，可以用来进行ICMP数据包的发送就好了。

　　然后，现在有一个IP地址了，那就可以建立一个原始套接字了。

sockfd = socket(sockfamily, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
setuid(getuid());                  //so we get the root authority

　　现在，地址有了，套接字有了，再申请个空间，套上ICMP的头部，我们就可以给服务器发过去了。

void send_ipv4(void)
{
int len;
　　 int  datalen = 56;
struct icmp *icmp;
　　 char  sendbuf[1500];
icmp = (struct icmp *)sendbuf;
icmp->icmp_type = ICMP_ECHO;
icmp->icmp_code = 0;
icmp->icmp_id = getpid();
icmp->icmp_seq = nsent++;

memset(icmp->icmp_data, 0xa5, datalen);
gettimeofday((struct timeval *)icmp->icmp_data, NULL);  //用这个计算RTT

len = 8+datalen;     //这里为啥要+8 ？ 因为ICMP头部长度是 8 字节
icmp->icmp_cksum = 0;
icmp->icmp_cksum = in_cksum((u_short *)icmp, len);

sendto(sockfd, sendbuf, len, 0, &out_send_addr, out_addr_len);
}

　　ok，到此基本上发送端都搞定了，这里面有一个函数in_cksum（）用于校验，这个函数网上哪儿哪儿都是，感兴趣的就搜一下。要是能弄明白为啥加来加去

然后各种与还有移位，那就更好了。

　　发送结束后，服务器会回复相应的数据包，然后咱们就可以拿着这个数据包计算我们想要的数据了，怎么处理呢？看代码。。

void proc_ipv4(char *recvbuf,ssize_t recv_len, struct msghdr *msg, struct timeval *time_recv)
{
int ip_hdr_len;
　　 char recvbuf[1500];
int icmplen;
struct ip *ip;
struct icmp *icmp;
struct timeval *time_send;

char char_seq[20];
double rtt;

ip = (struct ip*)recvbuf;    //收到的是包含IP头部的数据包
ip_hdr_len = ip->ip_hl>>2;   //这么做是有道理的，看看IP数据包的头部就知道了。
if(ip->ip_p != IPPROTO_ICMP){
printf("This Packet Is Not A ICMP \n");
return;
}

icmp = (struct icmp *)(recvbuf + ip_hdr_len);
if((icmplen = recv_len - ip_hdr_len) < 8){
printf("Malformed Packet\n");
return;
}

if(icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY){
if(icmp->icmp_id != getpid()){
printf("This Packet belong to other Process");
return;
}
if(icmplen < 16){
printf("No Enough Data For processing\n");
return;
}

time_send = (struct timeval*)icmp->icmp_data;
tv_sub(time_recv, time_send);
rtt =time_recv->tv_sec * 1000.0 + time_recv->tv_usec/1000.0;

printf("Recv %d Bytes from %s: Seq: %d  ttl = %d, rtt: %.3f ms\n",
icmplen,
inet_ntop(AF_INET, (void *)msg->msg_name, char_seq,msg->msg_namelen ),
icmp->icmp_seq,
ip->ip_ttl,
rtt);
}
else {
printf("Fail To Process\n");
}
}

　　这里面用到了一个计算时间差的函数tv_sub(),具体实现是这样的，比较适合重复利用。

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;
}

　　现在，主要的代码部分都有了，至于怎么循环发送很多包，怎么依次接收，要不要定时器等等，这些都仁者见仁智者见智了，方法很多，就不再赘述了。

上面的代码都是参考<<Unix 网络编程: 卷1>>编写的，没有关注IPV6的部分，因为初始入门，或者为了探究ICMP和原始套接口，例子越简单越好。

其实从本文可以看出，原始套接字并不复杂，复杂的还是程序设计、协议理解。真正的ICMP协议可不是这么实现的，看看Linux源代码就知道了，那里面的实现

数据结构是基于sk_buff，icmp_hdr，ip_hdr等等。咱们写的这个也就是玩玩而已，这个代码实现了ICMP协议的五分之一功能吧，不会再多了。