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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。
1 struct iphdr { 2 #if defined(LITTLE_ENDIAN_BITFIELD) 3 __u8 ihl:4, 4 version:4; 5 #elif defined (BIG_ENDIAN_BITFIELD) 6 __u8 version:4, 7 ihl:4; 8 #else 9 #error "Please fix <asm/byteorder.h>" 10 #endif 11 __u8 tos; 12 __u16 tot_len; 13 __u16 id; 14 __u16 frag_off; 15 __u8 ttl; 16 __u8 protocol; 17 __u16 check; 18 __u32 saddr; 19 __u32 daddr; 20 /*The options start here. */ 21 };
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。