Network_Programming

利用ICMPv4协议实现一个ping程序

文章目录
  1. 1. 抓包
  2. 2. ICMP协议数据报
  3. 3. ping程序原理
  4. 4. Cpp代码实现
  5. 5. traceroute
  6. 6. 问题记录
  7. 7. 参考

Icmp(Internet Control Message Protocol)协议一般与IP协议结合使用，以便给IP协议提供诊断和控制信息。
Icmp通常被认为是Ip协议的一部分，传输的时候也是被封装在Ip报文内。
我们在判断网络状况时用的ping程序就利用了ICMP协议。接下来先运行系统上的ping程序，用tcpdump抓包查看一下传输的数据。
然后解释一下icmp数据报的各个字段。最后思考一下ping程序的结构，然后用c++实现一个自己的ping程序。

抓包

首先在1号终端运行tcpdump。

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tcpdump -X > icmp.txt   # -X是以十六进制和ascii显示数据

在2号终端执行ping程序，然后ctrl+C退出ping程序。

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root@yifei:/home/yifei# ping baidu.com
PING baidu.com (220.181.38.148) 56(84) bytes of data.
64 bytes from 220.181.38.148 (220.181.38.148): icmp_seq=1 ttl=44 time=5.36 ms
64 bytes from 220.181.38.148 (220.181.38.148): icmp_seq=2 ttl=44 time=5.30 ms
^C
--- baidu.com ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 received, 0% packet loss, time 1000ms
rtt min/avg/max/mdev = 5.300/5.330/5.360/0.030 ms

查看icmp.txt中的icmp数据包,查找到跟220.181.38.148的通信。

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13:10:07.606759 IP yifei > 220.181.38.148: ICMP echo request, id 7657, seq 1, length 64
     0x0000:  4500 0054 e26f 4000 4001 a2ee ac15 05ec  E..T.o@.@.......
              ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
     0x0010:  dcb5 2694 0800 324a 1de9 0001 af58 195e  ..&...2J.....X.^
              ^^^^^^^^^ *******************
     0x0020:  0000 0000 1742 0900 0000 0000 1011 1213  .....B..........
     0x0030:  1415 1617 1819 1a1b 1c1d 1e1f 2021 2223  .............!"#
     0x0040:  2425 2627 2829 2a2b 2c2d 2e2f 3031 3233  $%&'()*+,-./0123
     0x0050:  3435 3637                                4567
13:10:07.612103 IP 220.181.38.148 > yifei: ICMP echo reply, id 7657, seq 1, length 64
     0x0000:  4500 0054 e26f 4000 2c01 b6ee dcb5 2694  E..T.o@.,.....&.
     0x0010:  ac15 05ec 0000 3a4a 1de9 0001 af58 195e  ......:J.....X.^
     0x0020:  0000 0000 1742 0900 0000 0000 1011 1213  .....B..........
     0x0030:  1415 1617 1819 1a1b 1c1d 1e1f 2021 2223  .............!"#
     0x0040:  2425 2627 2829 2a2b 2c2d 2e2f 3031 3233  $%&'()*+,-./0123
     0x0050:  3435 3637                                4567

可以看到本机先给baidu发送一个ICMP请求，然后baidu给回复了一条消息。
在第一个数据包中，用^标示的是ip首部，用*标示的是icmp首部，剩下的是icmp数据，具体每个字段的意义，在本文下一节中讲解。

ICMP协议数据报

下图是icmp报文被ip协议封装后的结构：

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| Ipv4头部  | Icmp头部 | Icmp数据      |
----------------------------------------

下图为icmp协议头部的结构：

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| 类型(8位) | 代码(8位) |   校验和(16位)         |
|------------------------------------------------|
| 依赖类型和代码的内容                           |
|------------------------------------------------|
| 数据(可选)                                     |
|------------------------------------------------|

ping程序的回显请求中，类型为8，代码为0时，结构是下图这样，多了标识符和序列号两个字段：

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| 类型(8位) | 代码(8位) |   校验和(16位)         |
|------------------------------------------------|
| 标识符(16位)          |   序列号(16位)         |
|------------------------------------------------|
| 数据(可选)                                     |
|------------------------------------------------|

  • 其中的类型和代码字段都是8位，这两个字段决定了Icmp数据报的用途,两个字段表示的组合如下：
    20200106 icmp.jpeg
  • 校验和16位，涵盖了icmp的报头和数据两部分。
  • 标识符可以设置为进程pid号，因为没有端口号来区分数据报了。
  • 序列号可以是从0开始的序号，用来标识icmp数据报。

ping程序原理

了解了icmp协议之后，ping程序的原理就很好理解了，可以分为以下几步。
1.将输入的域名转为ip地址。
2.填充icmp数据报。
3.创建原始套接字。
4.使用sendoto发送icmp报文。
5.使用recvfrom接受数据报。

Cpp代码实现

  • code

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    #include <iostream>
    #include <cstring>
    #include <unistd.h>
    #include <netdb.h>
    #include <errno.h>
    #include <arpa/inet.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/time.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <netinet/in.h>
    #include <ctime>
    #include <signal.h>
    using namespace std;

    enum{ICMP_DATA_LEN=1024};
    enum{IP_DATA_LEN=1024};
    enum{RECV_MAX_LEN=1024};

    /* 暂时用不着ip头部的结构体
    //IP报头
    typedef struct{
        unsigned char hdr_len;           //4位头部长度 & 4位版本号
        unsigned char tos;               //8位服务类型
        unsigned short total_len;        //16位总长度
        unsigned short identifier;       //16位标识符
        unsigned short frag_and_flags;   //3位标志加13位片偏移
        unsigned char ttl;               //8位生存时间
        unsigned char protocol;          //8位上层协议号
        unsigned short checksum;         //16位效验和
        unsigned int sourceIP;           //32位源IP地址
        unsigned int destIP;             //32位目的IP地址
    }IpHeader;

    //整个ip数据报
    typedef struct{
        IpHeader ih;
        char data[IP_DATA_LEN];
    }IpComplete;
    */

    //ICMP报头
    typedef struct{
        unsigned char type;     //8位类型字段
        unsigned char code;     //8位代码字段
        unsigned short cksum=0;  //16位效验和
        unsigned short id;     //16位标识符
        unsigned short seq;    //16位序列号
    }IcmpHeader;

    //整个icmp数据报
    typedef struct{
        IcmpHeader icmph;
        char data[ICMP_DATA_LEN];
    }IcmpComplete;

    pid_t pid;  //当前进程pid
    int seqnum=0;   //icmp头部中的序列号
    struct sockaddr_in sai; //目的ip地址
    char ipaddr[20];    //char类型ip地址
    clock_t second,first;   //记录每个数据报发出~接受到回复的时间
    int lostpacks=0,sumpacks=0;//记录数据报总数和丢包数

    //计算校验和
    unsigned short CheckSum(unsigned short *addr,int len){
        int nleft=len;
        unsigned int sum=0;
        unsigned short *w=addr;
        unsigned short answer=0;
        while(nleft>1){
            sum+=*w++;
            nleft-=2;
        }
        if(nleft==1){
            *(unsigned short *)(&answer)=*(unsigned char *)w;
            sum+=answer;
        }
        sum=(sum>>16)+(sum&0xffff);
        sum+=(sum>>16);
        answer=~sum;
        return answer;
    }

    //填充整个icmp数据报
    void FillIcmpCom(IcmpComplete *icmpcom){
        memset(icmpcom,0,8+sizeof(icmpcom->data));
        icmpcom->icmph.type=(unsigned char)8;
        icmpcom->icmph.code=0;
        icmpcom->icmph.cksum=0;
        pid=getpid();
        icmpcom->icmph.id=pid;
        icmpcom->icmph.seq=seqnum;
        icmpcom->icmph.cksum=CheckSum((unsigned short*)icmpcom,sizeof(icmpcom));
    }

    //根据域名获取ip地址
    void GetIpByName(char *argv){
        struct addrinfo*res;
        if(getaddrinfo(argv,nullptr,nullptr,&res)!=0){
            cout<<"地址解析出错！"<<endl;
            return ;
        }else{
            //网络字节序的ip地址转为ascii字符数组中点分十进制的ip地址
            inet_ntop(AF_INET,(void*)&((sockaddr_in*)(res->ai_addr))->sin_addr,ipaddr,16);
            sai.sin_family=AF_INET;
            sai.sin_addr.s_addr=inet_addr(ipaddr);
            cout<<"PING "<<argv<<"("<<ipaddr<<")"<<endl;
        }
        freeaddrinfo(res);
    }

    //处理SIGINT信号
    void handler(int data){
        cout<<endl<<"------------statistics-------------"<<endl;
        cout<<sumpacks<<" packets trasimitted,"<<lostpacks<<" packets loss"<<endl;
        exit(0);
    }

    int main(int argc,char **argv){
        GetIpByName(argv[1]);

        int sockfd;
        //创建icmp协议的原生套接字，需要自己构造icmp头部(ip头部系统自动填充，可以通过设置IP_HDRINCL套接字选项自己构造ip头部)
        sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_ICMP);
        if(sockfd<0){
            cout<<"创建socket出错。"<<endl;
            return 0;
        }

        struct timeval time_out;
        time_out.tv_sec=1;
        time_out.tv_usec=0;
        //设置recvfrom函数的接收超时为1秒。
        if(setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVTIMEO,(void*)&time_out,sizeof(time_out))<0){
            cout<<"设置接收超时出错!"<<endl;
        }
        int errnum=0;
        char recbuf[RECV_MAX_LEN];
        IcmpComplete icmpcomplete;
        signal(SIGINT,handler); //设置ctrl+c中断的处理函数
        for(;;){
            seqnum++;
            FillIcmpCom(&icmpcomplete);

            //发送整个icmp数据报
            if((errnum=sendto(sockfd,(void*)&icmpcomplete,sizeof(icmpcomplete),0,(struct sockaddr *)&sai,sizeof(sai)))<0){
                cout<<"ICMP数据报发送失败!   "<<errno<<" "<<strerror(errno)<<endl;;
                return 0;
            }else{
                first=clock();
            }

            //收到的recbuf数据包括ip头部，icmp头部，icmp数据
            if(recvfrom(sockfd,recbuf,sizeof(recbuf),0,nullptr,nullptr)<0){
                cout<<"*"<<endl;
                lostpacks++;
            }else{
                second=clock();
                cout<<sizeof(recbuf)<<" bytes from("<<ipaddr<<"): "
                    <<"icmp_seq="<<seqnum<<" "
                    <<"ttl="<<(int)recbuf[8]<<" "
                    <<"time="<<(second-first)<<" ms"<<endl;
            }
            sleep(1);
            sumpacks++;
        }
        return 0;
    }

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    \> gcc myping.cpp -o myping
    \> ./myping www.baidu.com
    PING baidu.com(39.156.69.79)
    1024 bytes from(39.156.69.79): icmp_seq=1 ttl=40 time=73 ms
    1024 bytes from(39.156.69.79): icmp_seq=2 ttl=40 time=47 ms
    1024 bytes from(39.156.69.79): icmp_seq=3 ttl=40 time=40 ms
    1024 bytes from(39.156.69.79): icmp_seq=4 ttl=40 time=39 ms
    1024 bytes from(39.156.69.79): icmp_seq=5 ttl=40 time=40 ms
    ^C
    ------------statistics-------------
    4 packets trasimitted,0 packets loss

traceroute

traceroute工具可以查看数据报在传输过程中都是经过了哪些节点。这利用了ip协议中的ttl字段。
traceroute首先发送ttl字段为1的ip数据报，然后分别发送ttl字段为2,3,…的数据报。
当数据报经过一个节点，ttl变为0之后，就会给发送方回复一个icmp数据报。这样就能获得每个节点的ip地址了。
将之前的程序进行简单改动，就能实现traceroute的效果。

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1.在每次sendto发送icmp数据报之前，使用该函数可以直接设置IP数据报中的ttl字段，不用自己填充ip头部了。
setsockopt(sockfd,IPPROTO_IP,IP_TTL,(void*)&ittl,sizeof(ittl))
2.接受到返回的消息后，输出ip头部中的源ip地址。

问题记录

  • sendto函数的地址参数，直接传入getaddrinfo()得到的res->ai_addr，总是返回invalid argument错误，自己填充一个sockaddr_in传入就好了。
  • 自己的ping程序测试的time要比Linux自带的高一些。

参考

  • 《TCP/IP详解(卷1:协议)》第二版

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