ICMP协议编程实践:实现ping命令(C语言)
作者:互联网
转自 https://network.fasionchan.com/zh_CN/latest/practices/ping-by-icmp-c.html
众所周知, ping 命令通过 ICMP 协议探测目标 IP 并计算 往返时间 。 本文使用 C 语言开发一个 ping 命令, 以演示如何通过 套接字 发送 和 接收 ICMP 协议报文。
注解
程序源码 可在本文末尾复制,或者在 Github 上下载: ping.c 。
报文封装
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 ping 命令使用其中两种:
ping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:
名称 | 类型 | ”代码“ |
---|---|---|
回显请求 | 8 | 0 |
回显答复 | 0 | 0 |
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 )。
定义一个结构体用以封装报文:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 | struct icmp_echo { // header uint8_t type; uint8_t code; uint16_t checksum; uint16_t ident; uint16_t seq; // data double sending_ts; char magic[MAGIC_LEN]; }; |
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:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 | uint16_t calculate_checksum(unsigned char* buffer, int bytes) { uint32_t checksum = 0; unsigned char* end = buffer + bytes; // odd bytes add last byte and reset end if (bytes % 2 == 1) { end = buffer + bytes - 1; checksum += (*end) << 8; } // add words of two bytes, one by one while (buffer < end) { checksum += buffer[0] << 8; checksum += buffer[1]; buffer += 2; } // add carry if any uint32_t carray = checksum >> 16; while (carray) { checksum = (checksum & 0xffff) + carray; carray = checksum >> 16; } // negate it checksum = ~checksum; return checksum & 0xffff; } |
套接字
编程实现网络通讯,离不开 套接字 ( socket ),收发 ICMP 报文当然也不例外:
#include int s = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
调用 sendto 系统调用发送 ICMP 报文:
struct icmp_echo icmp; struct sockaddr_in peer_addr; sendto(s, &icmp, sizeof(icmp), 0, peer_addr, sizeof(peer_addr));
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 recvfrom 系统调用接收 ICMP 报文:
#define MTU 1500 char buffer[MTU]; struct sockaddr_in peer_addr; int addr_len = sizeof(peer_addr); recvfrom(s, buffer, MTU, 0, &peer_addr, &addr_len); 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。
首先,实现 send_echo_request 函数,用于发送 ICMP 回显请求 报文:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 | int send_echo_request(int sock, struct sockaddr_in* addr, int ident, int seq) { // allocate memory for icmp packet struct icmp_echo icmp; bzero(&icmp, sizeof(icmp)); // fill header files icmp.type = 8; icmp.code = 0; icmp.ident = htons(ident); icmp.seq = htons(seq); // fill magic string strncpy(icmp.magic, MAGIC, MAGIC_LEN); // fill sending timestamp icmp.sending_ts = get_timestamp(); // calculate and fill checksum icmp.checksum = htons( calculate_checksum((unsigned char*)&icmp, sizeof(icmp)) ); // send it int bytes = sendto(sock, &icmp, sizeof(icmp), 0, (struct sockaddr*)addr, sizeof(*addr)); if (bytes == -1) { return -1; } return 0; } |
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:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 | int recv_echo_reply(int sock, int ident) { // allocate buffer char buffer[MTU]; struct sockaddr_in peer_addr; // receive another packet int addr_len = sizeof(peer_addr); int bytes = recvfrom(sock, buffer, sizeof(buffer), 0, (struct sockaddr*)&peer_addr, &addr_len); if (bytes == -1) { // normal return when timeout if (errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK) { return 0; } return -1; } // find icmp packet in ip packet struct icmp_echo* icmp = (struct icmp_echo*)(buffer + 20); // check type if (icmp->type != 0 || icmp->code != 0) { return 0; } // match identifier if (ntohs(icmp->ident) != ident) { return 0; } // print info printf("%s seq=%d %5.2fms\n", inet_ntoa(peer_addr.sin_addr), ntohs(icmp->seq), (get_timestamp() - icmp->sending_ts) * 1000 ); return 0; } |
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:
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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:
$ gcc -o ping ping.c $ sudo ./ping 8.8.8.8 8.8.8.8 seq=1 25.70ms 8.8.8.8 seq=2 25.28ms 8.8.8.8 seq=3 25.26ms
It works!
程序源码
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标签:ICMP,return,addr,int,checksum,报文,ping,C语言,icmp 来源: https://blog.csdn.net/chenpuo/article/details/118254016