ICMP协议编程实践：实现ping命令(C语言)

    注解

    程序源码 可在本文末尾复制，或者在 Github 上下载： 。

    ICMP 报文承载在 IP 报文之上，头部结构非常简单：

    注意到， ICMP 头部只有三个固定字段，其余部分因消息类型而异。固定字段如下：

    • type ， 消息类型 ；
    • code ， 代码 ；
    • checksum ， 校验和 ；

    ICMP 报文有很多不同的类型，由 type 和 code 字段区分。而 命令使用其中两种：

    ../_images/c633276d3679c45943a4f2d7c2b55e05.pngping命令原理

    如上图，机器 A 通过 回显请求 ( Echo Request ) 询问机器 B ；机器 B 收到报文后通过 回显答复 ( Echo Reply ) 响应机器 A 。这两种报文的典型结构如下：

    对应的 type 以及 code 字段值列举如下：

    按照惯例，回显报文除了固定字段，其余部分组织成 3 个字段：

    • 标识符 ( identifier )，一般填写进程 PID 以区分其他 ping 进程；
    • 报文序号 ( sequence number )，用于编号报文序列；
    • 数据 ( data )，可以是任意数据；

    按 ICMP 规定， 回显答复 报文原封不动回传这些字段。因此，可以将 发送时间 封装在 数据负载 ( payload )中，收到答复后将其取出，用于计算 往返时间 ( round trip time )。

    前 3 个字段为 ICMP 公共头部；中间 2 个字段为 回显请求 、 回显答复 惯例头部；其余字段为 数据负载 ，包括一个双精度 发送时间戳 以及一个固定的魔性字符串。

    校验和

    ICMP 报文校验和字段需要自行计算，计算步骤如下：

    • 以 0 为校验和封装一个用于计算的 伪报文 ；
    • 将报文分成两个字节一组，如果总字节数为奇数，则在末尾追加一个零字节；
    • 对所有 双字节 进行按位求和；
    • 将高于 16 位的进位取出相加，直到没有进位；
    • 将校验和按位取反；示例代码如下：
    2. {
    3.     uint32_t checksum = 0;
    4.     unsigned char* end = buffer + bytes;
    6.     // odd bytes add last byte and reset end
    7.     if (bytes % 2 == 1) {
    8.         end = buffer + bytes - 1;
    9.         checksum += (*end) << 8;
    10.     }
    12.     // add words of two bytes, one by one
    13.     while (buffer < end) {
    14.         checksum += buffer[0] << 8;
    15.         checksum += buffer[1];
    16.         buffer += 2;
    17.     }
    19.     // add carry if any
    20.     uint32_t carray = checksum >> 16;
    21.     while (carray) {
    22.         checksum = (checksum & 0xffff) + carray;
    23.         carray = checksum >> 16;
    24.     }
    26.     // negate it
    27.     checksum = ~checksum;
    29.     return checksum & 0xffff;
    30. }

    编程实现网络通讯，离不开 套接字 ( )，收发 ICMP 报文当然也不例外：

    1. #include <arpa/inet.h>
    3. int s = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

    调用 sendto 系统调用发送 ICMP 报文：

    其中，第一个参数为 套接字 ；第二、三个参数为封装好的 ICMP报文 及 长度 ；第四、五个参数为 目的地址 及地址结构体长度。

    调用 系统调用接收 ICMP 报文：

    2. char buffer[MTU];
    3. struct sockaddr_in peer_addr;
    4. int addr_len = sizeof(peer_addr);
    6. recvfrom(s, buffer, MTU, 0, &peer_addr, &addr_len);
    8. struct icmp_echo *icmp = buffer + 20;

    参数为接收缓冲区大小，这里用 1500 刚好是一个典型的 MTU 大小。注意到， recvfrom 系统调用返回 IP 报文，去掉前 20 字节的 IP 头部便得到 ICMP 报文。

    注解

    注意，创建 原始套接字 ( SOCK_RAW )需要超级用户权限。

    程序实现

    掌握基本原理后，便可着手编写代码了。

    1. int send_echo_request(int sock, struct sockaddr_in* addr, int ident, int seq)
    2. {
    3.     // allocate memory for icmp packet
    5.     bzero(&icmp, sizeof(icmp));
    7.     // fill header files
    8.     icmp.type = 8;
    9.     icmp.code = 0;
    10.     icmp.ident = htons(ident);
    11.     icmp.seq = htons(seq);
    13.     // fill magic string
    14.     strncpy(icmp.magic, MAGIC, MAGIC_LEN);
    16.     // fill sending timestamp
    17.     icmp.sending_ts = get_timestamp();
    19.     // calculate and fill checksum
    20.     icmp.checksum = htons(
    21.         calculate_checksum((unsigned char*)&icmp, sizeof(icmp))
    22.     );
    24.     // send it
    25.     int bytes = sendto(sock, &icmp, sizeof(icmp), 0,
    26.         (struct sockaddr*)addr, sizeof(*addr));
    27.     if (bytes == -1) {
    28.         return -1;
    29.     }
    31.     return 0;
    32. }

    第 3-17 行封装用于计算校验和的 伪报文 ，注意到 类型 字段为 8 ，代码 字段为 0 ，校验和 字段为 0 ，标识符 以及 序号 由参数指定；第 10 行调用 calculate_checksum 函数计算 校验和 ；第 25-26 调 sendto 系统调用将报文发送出去。

    对应地，实现 recv_echo_reply 用于接收 ICMP回显答复 报文：

    第 3-5 行分配用于接收报文的 缓冲区 ；第 9-10 行调用 recvfrom 系统调用 接收 一个 新报文 ；第 13-15 接收报文 超时 ，正常返回；第 21 行从 IP 报文中取出 ICMP 报文；第 24-26 行检查 ICMP报文类型 ；第 29-31 检查 标识符 是否匹配；第 32-38 行计算 往返时间 并打印提示信息。

    最后，实现 ping 函数，循环发送并接收报文：

    1. int ping(const char *ip)
    2. {
    3.     // for store destination address
    4.     struct sockaddr_in addr;
    5.     bzero(&addr, sizeof(addr));
    7.     // fill address, set port to 0
    8.     addr.sin_family = AF_INET;
    9.     addr.sin_port = 0;
    10.     if (inet_aton(ip, (struct in_addr*)&addr.sin_addr.s_addr) == 0) {
    11.         return -1;
    13.     // create raw socket for icmp protocol
    14.     int sock = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
    15.     if (sock == -1) {
    17.     }
    19.     // set socket timeout option
    20.     struct timeval tv;
    21.     tv.tv_sec = 0;
    22.     tv.tv_usec = RECV_TIMEOUT_USEC;
    23.     int ret = setsockopt(sock, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &tv, sizeof(tv));
    24.     if (ret == -1) {
    25.         return -1;
    26.     }
    28.     double next_ts = get_timestamp();
    29.     int ident = getpid();
    30.     int seq = 1;
    32.     for (;;) {
    33.         // time to send another packet
    34.         if (get_timestamp() >= next_ts) {
    35.             // send it
    36.             ret = send_echo_request(sock, &addr, ident, seq);
    37.             if (ret == -1) {
    38.                 perror("Send failed");
    39.             }
    41.             // update next sendint timestamp to one second later
    42.             next_ts += 1;
    43.             // increase sequence number
    44.             seq += 1;
    45.         }
    47.         // try to receive and print reply
    48.         ret = recv_echo_reply(sock, ident);
    49.         if (ret == -1) {
    50.             perror("Receive failed");
    51.         }
    52.     }
    54.     return 0;
    55. }

    第 3-12 行，初始化 目的地址 结构体；第 14-18 行，创建用于发送、接收 ICMP 报文的 套接字 ；第 20-27 行，将套接字 接收超时时间 设置为 0.1 秒，以便 等待答复报文 的同时有机会 发送请求报文 ；第 30-31 行，获取进程 PID 作为 标识符 、同时初始化报文 序号 ；接着，循环发送并接收报文；第 35-46 行，当前时间达到发送时间则调用 send_echo_request 函数 发送请求报文 ，更新下次发送时间并自增序号；第 48-52 行，调用 recv_echo_reply 函数 接收答复报文 。

    将以上所有代码片段组装在一起，便得到 ping.c 命令。迫不及待想运行一下：

    1. $ gcc -o ping ping.c
    2. $ sudo ./ping 8.8.8.8
    3. 8.8.8.8 seq=1 25.70ms
    4. 8.8.8.8 seq=2 25.28ms
    5. 8.8.8.8 seq=3 25.26ms

    It works!

    下一步

    本节以 语言为例，演示了 ICMP 编程方法。如果你对其他语言感兴趣，请按需取用：

    小菜学编程