Linux網路程式設計之原始套接字-ping協議實現

1.概述

PING協議是用來檢驗本地主機與遠端主機是否連線，傳送的是ICMP ECHO_REQUEST包。普通的套接字是基於TCP或者是UDP的，無法傳送ICMP包，所以必須用原始套接字來實現。PING協議的客戶端型別值為 8，程式碼值為0，表示請求。而PING協議的響應端型別值為0，程式碼值也為0，表示應答. 乙太網資料部分的最小值為46位元組，而IP首部佔20個位元組，ICMP的首部佔8個位元組，所以PING的資料部分至少為4位元組。

2.實現細節

主機端:

(1)建立原始套接字 socket(AF_INET,SOCK_RAW,htons(proto)),能夠直接得到IP包

(2)填寫ICMP首部和資料部分，即icmp_type(8),icmp_code(0)和icmp_data部分

(3)封裝後傳送ICMP請求包

響應端:

(1)建立原始套接字socket(AF_INET,SOCK_RAW,htons(proto))

(2)填寫ICMP首部和資料部分，即icmp_type(0),icmp_code(0),icmp_data

(3)傳送ICMP響應包

主機端收到ICMP響應包之後，即原始的IP包，將收到包的時間減去包的傳送時間就可以得到響應時延。

3. PING協議的實現例子

#include
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#include
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#include
#include
#include
#include
/**
通過原始套接字傳送ICMP回顯請求報文來實現ping協議
ICMP回顯報文的結構
struct icmp{
  u_int8_t icmp_type;//訊息型別
  u_int8_t icmp_code;//訊息型別的子碼
  u_int16_t icmp_cksum;//校驗和
  union{
   struct ih_idseq{//顯示資料包
     u_int16_t icd_id;//資料包所在程式的ID
     u_int16_6 icd_seq;//資料包序號

}ih_idseq;

}icmp_hun;

#define icmp_id icmp_hun.ih_idseq.icd_id
#define icmp_seq icmp_hun.ih_idseq.icd_seq
union{
 u_int8_t id_data[i];//資料
}icmp_dun;
#define icmp_data icmp_dun.id_data
}

**/
typedef struct pingm_packet{
    struct timeval tv_begin;//傳送的時間
    struct timeval tv_end;//接收到響應包的時間
    short seq;//序號值
    int flag;//1表示已經傳送但沒有接收到回應包，0表示接收到響應包

}pingm_packet;
//儲存已經傳送包的狀態值
static pingm_packet pingpacket[128];//定義一個包陣列
static pingm_packet *icmp_findpacket(int seq);
static unsigned short icmp_cksum(unsigned char*data,int len);
static struct timeval icmp_tvsub(struct timeval end,struct timeval begin);
static void icmp_statistics(void);
static void icmp_pack(struct icmp*icmph,int seq,struct timeval *tv,int length);
static int icmp_unpack(char*buf,int len);
static void* icmp_recv(void*argv);
static void* icmp_send(void*argv);
static void icmp_sigint(int signo);
static void icmp_usage();
#define K 1024
#define BUFFERSIZE 512
static unsigned char send_buff[BUFFERSIZE];//定義傳送緩衝區的大小
static unsigned char recv_buff[2*K];//定義接收緩衝區的大小，為防止接收端溢位，接收緩衝區稍微大一些
static struct sockaddr_in dest;//目的地址
static int rawsock=0;//原始套接字描述符
static pid_t pid=0;//程式id
static int alive=0;//是否接收到退出訊號
static short packet_send=0;//已經傳送的資料包數目
static short packet_recv=0;//已經接收的資料包數目
static char dest_str[80];//目的主機字串
static struct timeval tv_begin,tv_end,tv_interval;//本程式開始傳送，結束時間和時間間隔
static void icmp_usage(){
printf("ping aaa.bbb.ccc.ddd\n");
}
//計算ICMP首部校驗和
static unsigned short icmp_cksum(unsigned char* data,int len){
 int sum=0;
 int odd=len&0x01;
unsigned short *value=(unsigned short*)data;
while(len&0xfffe){
  sum+=*(unsigned short*)data;
  data+=2;
  len-=2;
}


if(odd){
  unsigned short tmp=((*data)   sum+=tmp;
}
sum=(sum>>16)+(sum&0xffff);
sum+=(sum>>16);
return ~sum;
}

//設定ICMP報頭
static void icmp_pack(struct icmp *icmph,int seq,struct timeval*tv,int length){
unsigned char i=0;
icmph->icmp_type=ICMP_ECHO;//ICMP回顯請求
icmph->icmp_code=0;//code為0
icmph->icmp_cksum=0;//cksum值
icmph->icmp_seq=htons(seq);//資料包的序列號
icmph->icmp_id=htons(pid&0xffff);//資料包的ID
 for(i=0;i    icmph->icmp_data[i]=htons(i);//注意主機位元組序轉換成網路位元組序
 }//傳送的資料
 //計算校驗和
icmph->icmp_cksum=icmp_cksum((unsigned char*)icmph,length+8);

}
//計算時間差函式
static struct timeval icmp_tvsub(struct timeval end,struct timeval begin){
  struct timeval tv;
  tv.tv_sec=end.tv_sec-begin.tv_sec;
  tv.tv_usec=end.tv_usec-begin.tv_usec;
  if(tv.tv_usec      tv.tv_sec--;
     tv.tv_usec+=1000000;
 }
  return tv;
}

//傳送報文
static void *icmp_send(void *argv){
   struct timeval tv;
   tv.tv_usec=0;
   tv.tv_sec=1;//每隔一秒傳送報文
   gettimeofday(&tv_begin,NULL);//儲存程式開始傳送資料的時間
   while(alive){
    memset(send_buff,0,sizeof(send_buff));
    int size=0;
    struct timeval tv;
    gettimeofday(&tv,NULL);//當前包傳送的時間
    icmp_pack((struct icmp*)send_buff,packet_send,&tv,203);//packet_send為傳送包的序號，傳送的資料長度為64個位元組，填充ICMP首部資訊
    size=sendto(rawsock,send_buff,203+8,0,(struct sockaddr*)&dest,sizeof(dest));//dest為ICMP包傳送的目的地址
    if(size      perror("sendto error");
     continue;
   }
  else{
  //在傳送包的狀態陣列找一空閒位置記錄傳送狀態資訊
  pingm_packet *packet=icmp_findpacket(-1);
  if(packet){
     packet->seq=packet_send;
     packet->flag=1;
     gettimeofday(&packet->tv_begin,NULL);
     packet_send++;//傳送序號＋1
  }
 }
 sleep(1);
}
}

//尋找一個空閒位置,seq=-1表示空閒位置
static pingm_packet* icmp_findpacket(int seq){
   int i=0;
   pingm_packet* found=NULL;
  if(seq==-1){
    for(i=0;i      if(pingpacket[i].flag==0){
      found=&pingpacket[i];
      break;
    }
   }
}else if(seq>=0){//查詢對應seq的資料包
    for(i=0;i         if(pingpacket[i].seq==seq){
              found=&pingpacket[i];
        break;
    }
   }
 }
return found;
}

//獲得ICMP接收報文,buf存放的除去了乙太網部分的IP資料包文,len為資料長度，ip_hl標識IP頭部長度以4位元組為單位，獲得ICMP資料包後判斷是否為ICMP_ECHOREPLY並檢查是否為本程式的ID
static int icmp_unpack(char*buf,int len){
  int i,iphdrlen;
  struct ip *ip=NULL;
  struct icmp *icmp=NULL;
  int rtt;//計算往返時延
  ip=(struct ip*)buf;
  iphdrlen=ip->ip_hl*4;//IP頭部長度
  icmp=(struct icmp*)(buf+iphdrlen);//ICMP報文的地址
  len-=iphdrlen;//ICMP報文的長度，ICMP報文至少8個位元組
  if(len     printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n ");
    return -1;
 }
//判斷ICMP報文的型別是否為ICMP＿ECHOREPLY並且為本程式的PID
if((icmp->icmp_type==ICMP_ECHOREPLY)&&(icmp->icmp_id==pid)){
  struct timeval tv_interval,tv_recv,tv_send;
 //在傳送陣列中查詢已經傳送的包
pingm_packet*packet=icmp_findpacket(ntohs(icmp->icmp_seq));//網路位元組序轉換成主機位元組序
if(packet==NULL){
 return -1;
}

packet->flag=0;//表示已經響應了
//本包的傳送時間
tv_send=packet->tv_begin;
//讀取收到響應包的時間

 gettimeofday(&tv_recv,NULL);
 tv_interval=icmp_tvsub(tv_recv,tv_send);
//計算往返時延，即RTT
rtt=tv_interval.tv_sec*1000+tv_interval.tv_usec/1000;
//列印ICMP段長度,源IP，包的序列號,TTL,時間差

printf("%d byte from %s:icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n",len,inet_ntoa(ip->ip_src),icmp->icmp_seq,ip->ip_ttl,rtt);
packet_recv++;//接收包的數量加1
}
else{
return -1;
}
}
//接收報文

static void *icmp_recv(void*argv){
 struct timeval tv;
tv.tv_usec=200;//輪循時間
tv.tv_sec=0;
fd_set readfd;

while(alive){
  int ret=0;
  tv.tv_usec=200;//輪循時間
  tv.tv_sec=0;
  FD_ZERO(&readfd);
  FD_SET(rawsock,&readfd);
  ret=select(rawsock+1,&readfd,NULL,NULL,&tv);
  int fromlen=0;
  struct sockaddr from;
  switch(ret){
case -1://發生錯誤
break;
case 0://超時
 //printf("timeout\n");
break;
default://收到資料包
 fromlen=sizeof(from);
 int size=recvfrom(rawsock,recv_buff,sizeof(recv_buff),0,(struct sockaddr*)&from,&fromlen);//利用原始套接字，原始套接字與IP層網路協議棧核心打交道
 if(errno==EINTR){
   perror("recvfrom error");
 }
//解包，得到RTT
 ret=icmp_unpack(recv_buff,size);
 if(ret==-1){
   continue;
 }
break;
}
}
}
//統計資料結果，成功傳送的報文數量，成功接收的報文數量，丟失報文百分比和程式總共執行時間
static void icmp_statistics(void){
  long time=(tv_interval.tv_sec*1000)+(tv_interval.tv_usec/1000);
  printf("--- %s ping statistics ---\n",dest_str);//目的IP
  printf("%d packets transmitted, %d recevied, %d%c packet loss, time %d ms\n",packet_send,packet_recv,(packet_send-packet_recv)*100/packet_send,'%',time);
}

//訊號處理函式
static void icmp_sigint(int signo){
   alive=0;//alive=0程式將會終止
   gettimeofday(&tv_end,NULL);//程式結束時間
   tv_interval=icmp_tvsub(tv_end,tv_begin);//計算程式一共執行了多長時間
  return;
}


//主函式實現
int main(int argc,char*argv[]){
  struct hostent *host=NULL;
  struct protoent*protocol=NULL;
  char protoname[]="icmp";
  unsigned long inaddr=1;
  int size=128*K;
  int ret;
 if(argc    icmp_usage();
   return -1;
 }
//獲取協議型別ICMP,協議型別的值作為設定原始套接字的第3個引數,type型別下的具體協議值不止一個，當type為SOCK_RAW
protocol=getprotobyname(protoname);
if(protocol==NULL){
  perror("getprotobyname()");
  return -1;
}

//複製目的地址
memcpy(dest_str,argv[1],strlen(argv[1])+1);
memset(pingpacket,0,sizeof(pingm_packet)*128);//pingpacket陣列初始化
//建立原始套接字
rawsock=socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto);
if(rawsock   perror("raw sock error");
  return -1;
}
//得到程式的pid
pid=getuid();
//增大接收端緩衝區防止接收的包被覆蓋
ret=setsockopt(rawsock,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,&size,sizeof(size));
if(ret==-1){
   perror("SO_RCVBUF ERROR");
   return -1;
}
//輸入的目的IP
inaddr=inet_addr(argv[1]);//轉換成二進位制IP
bzero(&dest,sizeof(dest));
dest.sin_family=AF_INET;//設定地址族
if(inaddr==INADDR_NONE){
  //輸入的是DNS
    host=gethostbyname(argv[1]);
    if(host==NULL){
     perror("gethostbyname");
    return -1;
  }
 memcpy((char*)&dest.sin_addr,host->h_addr,host->h_length);
}
else{
 memcpy((char*)&dest.sin_addr,&inaddr,sizeof(inaddr));
}
inaddr=dest.sin_addr.s_addr;
//由於是ICMP不涉及到埠繫結
printf("PING %s (%d.%d.%d.%d) 56(84)bytes of data.\n",dest_str,(inaddr&0x000000FF)>>0,(inaddr&0x0000FF00)>>8,(inaddr&0x00FF0000)>>16,(inaddr&0xFF000000)>>24);
signal(SIGINT,icmp_sigint);
alive=1;
//定義兩個執行緒，分別用於傳送資料與接收資料
pthread_t send_id,recv_id;
int err=0;
err=pthread_create(&send_id,NULL,icmp_send,NULL);
if(err   return -1;
}
err=pthread_create(&recv_id,NULL,icmp_recv,NULL);
if(err   return -1;
}
pthread_join(send_id,NULL);//等待子執行緒結束send
pthread_join(recv_id,NULL);//等待子執行緒的結束recv
close(rawsock);
icmp_statistics();
return 0;
}

執行結果:

PING 222.27.253.1 (222.27.253.1) 56(84)bytes of data.
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=0 ttl=255 rtt=5 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=1 ttl=255 rtt=12 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=2 ttl=255 rtt=5 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=3 ttl=255 rtt=7 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=4 ttl=255 rtt=2 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=5 ttl=255 rtt=23 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=6 ttl=255 rtt=27 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=7 ttl=255 rtt=10 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=8 ttl=255 rtt=17 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=9 ttl=255 rtt=3 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=10 ttl=255 rtt=6 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=11 ttl=255 rtt=10 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=12 ttl=255 rtt=3 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=13 ttl=255 rtt=2 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=14 ttl=255 rtt=2 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=15 ttl=255 rtt=6 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=16 ttl=255 rtt=8 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=17 ttl=255 rtt=9 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=18 ttl=255 rtt=25 ms
60 byte from 222.27.253.1:icmp_seq=19 ttl=255 rtt=24 ms
--- 222.27.253.1 ping statistics ---
20 packets transmitted, 20 recevied, 0% packet loss, time 19249 ms

說明:程式用了兩個執行緒，一個是用來傳送ICMP，另一個是用來接收ICMP.