本文深入探讨了ping命令的原理与实现细节，重点介绍了ICMP协议在ping过程中的作用，包括TTL值的概念、ICMP报文的组成与用途，以及ping程序的主要流程。此外，还详细阐述了与ping程序相关的结构体与函数接口，如sockaddr_in、socket、sendto、recvfrom等，帮助读者全面理解网络编程中ping操作的底层实现。
关于网络编程，知之甚少，linux环境下编程的经验也比较缺乏，于是乎，在百度文库上下载了一个关于ping的程序设计，照着将代码敲打一遍，顺便熟悉某些东东。 敲完代码，运行时，发现错误极多，正好也试着学习用GDB调试。下面是一些琐碎的知识点，写写加深印象。
1. 关于ping程序
用于确定本地主机与网络中其它主机的网络通信情况，常使用ping程序。ping程序向指定的IP地址发送ICMP数据包，通过返回的信息来判断网络的连接状况。
ping程序的返回信息中有一个值为TTL(time to live)，表示ping程序发送的icmp数据包的生存周期，每经过一个网段，TTL的值减1，当其值被减为0时，该数据包将被丢弃，但该数据包的源地址将会被告知情况，以重新发送该数据包。另外，不同操作系统的TTL值是不相同的，linux操作系统是64。
2. ICMP协议
ICMP（Internet Control Message Protocol），即网际控制报文协议，可用在网络中实现主机探测、路由维护、路由选择和流量控制。
由于IP协议没有机制来获取网络错误信息以及没有对错误进行处理，所以需要另一协议来解决这一问题，这个协议就是ICMP协议。ICMP常被认为是IP层的一部分，用于传输差错报文及控制报文。ICMP报文是封装在IP数据报内部的。
关于ICMP协议的更多内容，请参考上篇文章《ICMP协议》。
3. ping程序主要流程
创建通信的套接字-->将地址、端口信息与套接字绑定-->构建IP包头与ICMP包头-->发送构建的数据包-->接收对方主机的回应-->给出程序反馈信息
4. 涉及的一及结构体及函数接口简介
(1) struct sockaddr_in ：此数据结构用做bind、connect、recvfrom、sendto等函数的参数，指明地址信息。
sa_family是地址家族，一般都是“AF_xxx”的形式。通常大多用的是都是AF_INET,代表TCP/IP协议族;
sin_port存储端口号（使用网络字节顺序）;
sin_addr存储IP地址，使用in_addr这个数据结构
sin_zero是为了让sockaddr与sockaddr_in两个数据结构保持大小相同而保留的空字节;
(2) struct protoent ：相关函数: getprotobyname, getprotoent, setprotoent, endprotoent
p_name: 网络协议名 p_aliases: 别名 p_proto: 网络协议编号
(3) struct hostent ：hostent是host entry的缩写，该结构记录主机的信息，包括主机名、别名、地址类型、地址长度和地址列表
注：其所需要的头文件还有这一宏定义 #define h_addr h_addr_list[0]
(4) struct imcp
(5) getprotobyname(const char *protoname)
getprotobyname()会返回一个protoent结构，参数protoname为欲查询的网络协议名。此函数会从 /etc/protocols中查找符合条件的数据并由结构protoent返回。
(6) gethostbyname()
gethostbyname()返回对应于给定主机名的包含主机名字和地址信息的hostent结构指针。
(7) socket ：函数原型 int socket(int domain, int type, int protocol);
第一个参数指定应用程序使用的通信协议的协议族，对于TCP/IP协议族，该参数置AF_INET;
第二个参数指定要创建的套接字类型，流套接字类型为SOCK_STREAM、数据报套接字类型为SOCK_DGRAM、原始套接字SOCK_RAW;
第三个参数指定应用程序所使用的通信协议;
该函数如果调用成功就返回新创建的套接字的描述符，如果失败就返回INVALID_SOCKET。套接字描述符是一个整数类型的值。每个进程的进程空间里都有一个套接字描述符表，该表中存放着套接字描述符和套接字数据结构的对应关系。该套接字描述符表中有一个字段存放新创建的套接字的描述符，另一个字段存放套接字数据结构的地址，因此根据套接字描述符就可以找到其对应的套接字数据结构，另外需知套接字数据结构是在操作系统的内核缓冲里的。
(8) setsockopt()：用于任意类型、任意状态套接口的设置选项值
函数原型：int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
sockfd：标识一个套接口的描述字
level：选项定义的层次；支持SOL_SOCKET、IPPROTO_TCP、IPPROTO_IP和IPPROTO_IPV6
optname：需设置的选项
optval：指针，指向存放选项值的缓冲区
optlen：optval缓冲区长度
(9) inet_addr()：将一个点分十进制的IP转换成一个长整数型数
(10) sendto()：经socket传送数据
函数原型：int sendto ( socket s , const void * msg, int len, unsigned int flags, const struct sockaddr * to , int tolen);
函数说明：sendto() 用来将数据由指定的socket传给对方主机。
参数s为已建好连线的socket,如果利用UDP协议则不需经过连线操作;
参数msg指向欲连线的数据内容，参数flags 一般设0，详细描述请参考send();
参数to用来指定欲传送的网络地址，结构sockaddr请参考bind();
参数tolen为sockaddr的结果长度;
返回值:成功则返回实际传送出去的字符数，失败返回－1，错误原因存于errno 中。
(11) recvfrom()：经socket接收数据
函数原型:ssize_t recvfrom(int sockfd,void *buf,int len,unsigned int flags, struct sockaddr *from,socket_t *fromlen);ssize_t 相当于 int，socket_t 相当于int ，这里用这个名字为的是提高代码的自说明性。
参数说明：
s：标识一个已连接套接口的描述字
buf：接收数据缓冲区
len：缓冲区长度
flags：调用操作方式
from：（可选）指针，指向装有源地址的缓冲区
fromlen：（可选）指针，指向from缓冲区长度值
返回值：如果正确接收返回接收到的字节数，失败返回0。
5. 简单的ping程序，参考自百度文库
#include <stdio.h> //perror()
#include <stdlib.h>
#include <netdb.h> //getprotobynumber gethostbyname
#include <unistd.h> //setuid() getuid() sleep() alarm()
#include <sys/types.h> //getuid()
#include <string.h> //bzero(s, n) 将s的前n个字节设为0
#include <signal.h> //signal()
#include <time.h> //gettimeofday()
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <errno.h> //EINTR
#include <arpa/inet.h> //inet_ntoa()
#define MAX_NO_PACKETS 10
#define PACKET_SIZE 4096
#define MAX_WAIT_TIME 5
int sockfd;
int datalen = 56;
struct sockaddr_in dest_addr;
struct sockaddr_in from;
pid_t pid;//获取进程号
int nsend = 0, nreceived = 0;
char sendpacket[PACKET_SIZE];
char recvpacket[PACKET_SIZE];
struct timeval tvrecv;
void statistics(); //显示发送数据包的总结信息
void send_packet(int count); //发送ICMP报文
void recv_packet(int count); //接收所有ICMP报文
int main(int argc, char** argv)
{
struct protoent* protocol;
int size = 1024*50;
unsigned int inaddr = 0l;//0L
struct hostent *host;
if (argc < 3)
{
printf("usage:%s hostname/IP address or usage:%s hostname/IP address -r\n", argv[0], argv[0]);
exit(1);
}
//getprotobyname()会返回一个protoent结构，参数proto为欲查询的网络协议名。
//此函数会从 /etc/protocols中查找符合条件的数据并由结构protoent返回
if ((protocol=getprotobyname("icmp")) == NULL)
{
perror("getprotobyname");
exit(1);
}
//生成使用ICMP的原始套接字,这种套接字只有root用户才能生成
if ((sockfd=socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol->p_proto)) < 0)
{
perror("socket error");
exit(1);
}
//setuid(getuid()); //回收root权限，设置当前用户权限
//扩大套接字接收缓冲区到50K这样做主要为了减小接收缓冲区溢出的的可能性,若无意中ping一个广播地址或多播地址,将会引来大量应答
//SO_RCVBUF int 为接收确定缓冲区大小
//选项定义的层次,目前仅支持SOL_SOCKET和IPPROTO_TCP层次。
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size));
bzero(&dest_addr, sizeof(dest_addr));
//关于sockaddr_in为成员
//sa_family是地址家族，一般都是“AF_xxx”的形式。通常大多用的是都是AF_INET,代表TCP/IP协议族。
//sin_port存储端口号（使用网络字节顺序）
//sin_addr存储IP地址，使用in_addr这个数据结构
dest_addr.sin_family = AF_INET;
inaddr = inet_addr(argv[2]);//将一个点分十进制的IP转换成一个长整数型数
//判断是主机名还是ip地址
if (inaddr == INADDR_NONE)
{
if ((host=gethostbyname(argv[2])) == NULL)
{
perror("gethostbyname error");
exit(1);
}
//是主机地址
memcpy((char*)&dest_addr.sin_addr, host->h_addr, sizeof(dest_addr.sin_addr));//没有h_addr这个成员，但是h_addr表示h_addr_list的第一个地址,因为#define h_addr h_addr_list[0]
}
else//是ip地址
{
memcpy((char *)&dest_addr.sin_addr, (char *)&inaddr, sizeof(inaddr));
}
//获取main的进程id，用于设置icmp的标志符
pid = getpid();
printf("PING %s(%s): %d bytes data in ICMP packets.\n", argv[2], inet_ntoa(dest_addr.sin_addr), datalen);
//设置某一信号的对应动作
//SIGINT:由Interrupt Key产生，通常是CTRL+C或者DELETE。发送给所有ForeGround Group的进程
signal(SIGINT, statistics);
if (argc == 3)
{
send_packet(5);
recv_packet(5);
statistics();
}
else
{
printf("input error, pls check it...\n");
}
return 0;
}
/***********************************************************************/
//FUNCTION: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;
}
/***********************************************************************/
//FUNCTION:两个timeval结构相减
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;
}
/***********************************************************************/
//FUNCTION:设置ICMP报头
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 = datalen + 8;
tval = (struct timeval *)icmp->icmp_data;
gettimeofday(tval, NULL); //记录发送时间
icmp->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short *)icmp, packsize);
return packsize;
}
/***********************************************************************/
//FUNCTION:剥去ICMP报头加显示
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报头长度,即ip报头的长度标志乘4
icmp = (struct icmp *)(buf+iphdrlen);//越过ip报头,指向ICMP报头
len -= iphdrlen; //ICMP报头及ICMP数据报的总长度
if (len < 8) //小于ICMP报头长度则不合理
{
printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
return -1;
}
//确保所接收的是我所发的的ICMP的回应
if ((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == pid))
{
tvsend = (struct timeval *)icmp->icmp_data;
tv_sub(&tvrecv, tvsend);//接收和发送的时间差
rtt = tvrecv.tv_sec*1000 + tvrecv.tv_usec/1000;//以毫秒单位计算rtt
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;
}
/***********************************************************************/
//FUNCTION:
void statistics()
{
printf("\n------------------------ping statistics------------------------\n");
printf("%d packets transmitted, %d received, %.2f%% packets lost\n", nsend, nreceived, (float)(nsend-nreceived)/(float)nsend*100);
printf("---------------------------------------------------------------\n");
close(sockfd);
exit(1);
}
/***********************************************************************/
//FUNCTION:
void send_packet(int count)
{
int packetsize;
while (nsend < MAX_NO_PACKETS)//发送MAX_NO_PACKETS个报文
{
nsend++;
packetsize = pack(nsend);
//sendpacket为要发送的内容，由pack()函数设定，dest_addr是目的地址
if (sendto(sockfd, sendpacket, packetsize, 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr)) < 0)
{
perror("sendto error");
continue;
}
//sleep(1);//每隔一秒发送一个ICMP报文
}
}
/***********************************************************************/
//FUNCTION:接收所有ICMP报文
void recv_packet(int count)
{
int n, fromlen;
extern int errno;
//用alarm函数设置的timer超时或setitimer函数设置的interval timer超时
signal(SIGALRM, statistics);
fromlen = sizeof(from);
while (nreceived < nsend)
{
//alarm()用来设置信号SIGALRM在经过参数seconds指定的秒数后传送给目前的进程
alarm(MAX_WAIT_TIME);
//(经socket接收数据
if ((n=recvfrom(sockfd, recvpacket, sizeof(recvpacket), 0, (struct sockaddr *)&from, &fromlen)) < 0)
{
if (errno == EINTR)
continue;
perror("recvfrom error");
continue;
}
gettimeofday(&tvrecv, NULL);//记录接收时间
if (unpack(recvpacket, n) == -1)
continue;
nreceived++;
}
}
6.程序结果
(1) ping 127.0.0.1
(2) ping ubuntu
(3) ping 192.168.18.124
(4) ping www.baidu.com
(5) ping www.sina.com
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