emacs 中的鍵盤宏

PING（Packet InterNet Groper）中文名為因特網包探索器，是用來查看網絡上另一個主機系統的網絡連接是否正常的一個工具。ping命令的工作原理是：向網絡上的另一個主機系統發送ICMP報文，如果指定系統得到了報文，它將把回復報文傳回給發送者，這有點象潛水艇聲納系統中使用的發聲裝置。所以，我們想知道我這臺主機能不能和另一臺進行通信，我們首先需要確認的是我們兩臺主機間的網絡是不是通的，也就是我說的話能不能傳到你那里，這是雙方進行通信的前提。在Linux下使用指令ping的方法和現象如下：

PING的實現看起來并不復雜，我想自己寫代碼實現這個功能，需要些什么知識儲備？我簡單羅列了一下：

• ICMP協議的理解

• RAW套接字

• 網絡封包和解包技能
  
  

搭建這么一個ping程序的步驟如下：

1. ICMP包的封裝和解封

2. 創建一個線程用于ICMP包的發送

3. 創建一個線程用于ICMP包的接收

4. 原始套接字編程

PING的流程如下：

一、ICMP包的封裝和解封

（1） ICMP協議理解

要進行PING的開發，我們首先需要知道PING的實現是基于ICMP協議來開發的。要進行ICMP包的封裝和解封，我們首先需要理解ICMP協議。ICMP位于網絡層，允許主機或者路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。ICMP報文是封裝在IP數據報中，作為其中的數據部分。ICMP報文作為IP層數據報的數據，加上數據報頭，組成IP數據報發送出去。ICMP報文格式如下：

ICMP報文的種類有兩種，即ICMP差錯報告報文和ICMP詢問報文。PING程序使用的ICMP報文種類為ICMP詢問報文。注意一下上面說到的ICMP報文格式中的“類型”字段，我們在組包的時候可以向該字段填寫不同的值來標定該ICMP報文的類型。下面列出的是幾種常用的ICMP報文類型。

我們的PING程序需要用到的ICMP的類型是回送請求（8）。
因為ICMP報文的具體格式會因為ICMP報文的類型而各不相同，我們ping包的格式是這樣的：

（2） ICMP包的組裝

  對照上面的ping包格式，我們封裝ping包的代碼可以這么寫：

void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length)
{    int i = 0;

    icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO;  //類型填回送請求
    icmphdr->icmp_code = 0;   
    icmphdr->icmp_cksum = 0; //注意，這里先填寫0，很重要！
    icmphdr->icmp_seq = seq;  //這里的序列號我們填1,2,3,4....
    icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff;  //我們使用pid作為icmp_id,icmp_id只是2字節，而pid有4字節
    for(i=0;i<length;i++)
    {
        icmphdr->icmp_data[i] = i;  //填充數據段，使ICMP報文大于64B    }

    icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length); //校驗和計算}

這里再三提醒一下，icmp_cksum 必須先填寫為0再執行校驗和算法計算，否則ping時對方主機會因為校驗和計算錯誤而丟棄請求包，導致ping的失敗。我一個同事曾經就因為這么一個錯誤而排查許久，血的教訓請銘記。

這里簡單介紹一下checksum（校驗和）。

計算機網絡通信時，為了檢驗在數據傳輸過程中數據是否發生了錯誤，通常在傳輸數據的時候連同校驗和一塊傳輸，當接收端接受數據時候會從新計算校驗和，如果與原校驗和不同就視為出錯，丟棄該數據包，并返回icmp報文。

算法基本思路：

IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等協議的校驗和算法都是相同的，采用的都是將數據流視為16位整數流進行重復疊加計算。為了計算檢驗和，首先把檢驗和字段置為0。然后，對有效數據范圍內中每個16位進行二進制反碼求和，結果存在檢驗和字段中，如果數據長度為奇數則補一字節0。當收到數據后，同樣對有效數據范圍中每個16位數進行二進制反碼的求和。由于接收方在計算過程中包含了發送方存在首部中的檢驗和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發生任何差錯，那么接收方計算的結果應該為全0或全1(具體看實現了,本質一樣) 。如果結果不是全0或全1，那么表示數據錯誤。

/*校驗和算法*/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報頭二進制數據以2字節為單位累加起來*/
        while(nleft>1)
        {       
            sum+=*w++;
            nleft-=2;
        }        /*若ICMP報頭為奇數個字節，會剩下最后一字節。把最后一個字節視為一個2字節數據的高字節，這個2字節數據的低字節為0，繼續累加*/
        if( nleft==1)
        {       
            *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w;
            sum+=answer;
        }
        sum=(sum>>16)+(sum&0xffff);
        sum+=(sum>>16);
        answer=~sum;        return answer;
}

（3） ICMP包的解包

知道怎么封裝包，那解包就也不難了，注意的是，收到一個ICMP包，我們不要就認為這個包就是我們發出去的ICMP回送回答包，新航道雅思培訓我們需要加一層代碼來判斷該ICMP報文的id和seq字段是否符合我們發送的ICMP報文的設置，來驗證ICMP回復包的正確性。

int icmp_unpack(char* buf, int len)
{    int iphdr_len;    struct timeval begin_time, recv_time, offset_time;    int rtt;  //round trip time

    struct ip* ip_hdr = (struct ip *)buf;
    iphdr_len = ip_hdr->ip_hl*4;    struct icmp* icmp = (struct icmp*)(buf+iphdr_len); //使指針跳過IP頭指向ICMP頭
    len-=iphdr_len;  //icmp包長度
    if(len < 8)   //判斷長度是否為ICMP包長度    {
        fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n");        return -1;
    }    //判斷該包是ICMP回送回答包且該包是我們發出去的
    if((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == (pid & 0xffff))) 
    {        if((icmp->icmp_seq < 0) || (icmp->icmp_seq > PACKET_SEND_MAX_NUM))
        {
            fprintf(stderr, "icmp packet seq is out of range!\n");            return -1;
        }

        ping_packet[icmp->icmp_seq].flag = 0;
        begin_time = ping_packet[icmp->icmp_seq].begin_time;  //去除該包的發出時間
        gettimeofday(&recv_time, NULL);

        offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time);
        rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒為單位
        printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n",
            len, inet_ntoa(ip_hdr->ip_src), icmp->icmp_seq, ip_hdr->ip_ttl, rtt);        

    }    else
    {
        fprintf(stderr, "Invalid ICMP packet! Its id is not matched!\n");        return -1;
    }    return 0;
}

二、發包線程的搭建

根據PING程序的框架，我們需要建立一個線程用于ping包的發送，我的想法是這樣的：使用sendto進行發包，發包速率我們維持在1秒1發，我們需要用一個全局變量記錄第一個ping包發出的時間，除此之外，我們還需要一個全局變量來記錄我們發出的ping包到底有幾個，這兩個變量用于后來收到ping包回復后的數據計算。

void ping_send()
{    char send_buf[128];
    memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));
    gettimeofday(&start_time, NULL); //記錄第一個ping包發出的時間
    while(alive)
    {        int size = 0;
        gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);
        ping_packet[send_count].flag = 1; //將該標記為設置為該包已發送
        icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封裝icmp包
        size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
        send_count++; //記錄發出ping包的數量
        if(size < 0)
        {
            fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");            continue;
        }

        sleep(1);
    }
}

三、收包線程的搭建
我們同樣建立一個接收包的線程，這里我們采用select函數進行收包，并為select函數設置超時時間為200us，若發生超時，則進行下一個循環。同樣地，我們也需要一個全局變量來記錄成功接收到的ping回復包的數量。

void ping_recv()
{    struct timeval tv;
    tv.tv_usec = 200;  //設置select函數的超時時間為200us
    tv.tv_sec = 0;
    fd_set read_fd;    char recv_buf[512];
    memset(recv_buf, 0 ,sizeof(recv_buf));    while(alive)
    {        int ret = 0;
        FD_ZERO(&read_fd);
        FD_SET(rawsock, &read_fd);
        ret = select(rawsock+1, &read_fd, NULL, NULL, &tv);        switch(ret)
        {            case -1:
                fprintf(stderr,"fail to select!\n");                break;            case 0:                break;            default:
                {                    int size = recv(rawsock, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);                    if(size < 0)
                    {
                        fprintf(stderr,"recv data fail!\n");                        continue;
                    }

                    ret = icmp_unpack(recv_buf, size); //對接收的包進行解封
                    if(ret == -1)  //不是屬于自己的icmp包，丟棄不處理                    {                        continue;
                    }
                    recv_count++; //接收包計數                }                break;
        }

    }
}

四、中斷處理

我們規定了一次ping發送的包的最大值為64個，若超出該數值就停止發送。作為PING的使用者，我們一般只會發送若干個包，若有這幾個包順利返回，我們就crtl+c中斷ping。這里的代碼主要是為中斷信號寫一個中斷處理函數，將alive這個全局變量設置為0，進而使發送ping包的循環停止而結束程序。

void icmp_sigint(int signo)
{
    alive = 0;
    gettimeofday(&end_time, NULL);
    time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);
}

signal(SIGINT, icmp_sigint);

五、總體實現

各模塊介紹完了，現在貼出完整代碼。

  1 #include <stdio.h>  2 #include <netinet/in.h>  3 #include <netinet/ip.h>  4 #include <netinet/ip_icmp.h>  5 #include <unistd.h>  6 #include <signal.h>  7 #include <arpa/inet.h>  8 #include <errno.h>  9 #include <sys/time.h> 10 #include <string.h> 11 #include <netdb.h> 12 #include <pthread.h> 13  14  15 #define PACKET_SEND_MAX_NUM 64 16  17 typedef struct ping_packet_status 18 { 19     struct timeval begin_time; 20     struct timeval end_time; 21     int flag;   //發送標志,1為已發送 22     int seq;     //包的序列號 23 }ping_packet_status; 24  25  26  27 ping_packet_status ping_packet[PACKET_SEND_MAX_NUM]; 28  29 int alive; 30 int rawsock; 31 int send_count; 32 int recv_count; 33 pid_t pid; 34 struct sockaddr_in dest; 35 struct timeval start_time; 36 struct timeval end_time; 37 struct timeval time_interval; 38  39 /*校驗和算法*/ 40 unsigned short cal_chksum(unsigned short *addr,int len) 41 {       int nleft=len; 42         int sum=0; 43         unsigned short *w=addr; 44         unsigned short answer=0; 45  46         /*把ICMP報頭二進制數據以2字節為單位累加起來*/ 47         while(nleft>1) 48         {       
 49             sum+=*w++; 50             nleft-=2; 51         } 52         /*若ICMP報頭為奇數個字節，會剩下最后一字節。把最后一個字節視為一個2字節數據的高字節，這個2字節數據的低字節為0，繼續累加*/ 53         if( nleft==1) 54         {       
 55             *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w; 56             sum+=answer; 57         } 58         sum=(sum>>16)+(sum&0xffff); 59         sum+=(sum>>16); 60         answer=~sum; 61         return answer; 62 } 63  64 struct timeval cal_time_offset(struct timeval begin, struct timeval end) 65 { 66     struct timeval ans; 67     ans.tv_sec = end.tv_sec - begin.tv_sec; 68     ans.tv_usec = end.tv_usec - begin.tv_usec; 69     if(ans.tv_usec < 0) //如果接收時間的usec小于發送時間的usec，則向sec域借位 70     { 71         ans.tv_sec--; 72         ans.tv_usec+=1000000; 73     } 74     return ans; 75 } 76  77 void icmp_pack(struct icmp* icmphdr, int seq, int length) 78 { 79     int i = 0; 80  81     icmphdr->icmp_type = ICMP_ECHO; 82     icmphdr->icmp_code = 0; 83     icmphdr->icmp_cksum = 0; 84     icmphdr->icmp_seq = seq; 85     icmphdr->icmp_id = pid & 0xffff; 86     for(i=0;i<length;i++) 87     { 88         icmphdr->icmp_data[i] = i; 89     } 90  91     icmphdr->icmp_cksum = cal_chksum((unsigned short*)icmphdr, length); 92 } 93  94 int icmp_unpack(char* buf, int len) 95 { 96     int iphdr_len; 97     struct timeval begin_time, recv_time, offset_time; 98     int rtt;  //round trip time 99 100     struct ip* ip_hdr = (struct ip *)buf;101     iphdr_len = ip_hdr->ip_hl*4;102     struct icmp* icmp = (struct icmp*)(buf+iphdr_len);103     len-=iphdr_len;  //icmp包長度104     if(len < 8)   //判斷長度是否為ICMP包長度105     {106         fprintf(stderr, "Invalid icmp packet.Its length is less than 8\n");107         return -1;108     }109 110     //判斷該包是ICMP回送回答包且該包是我們發出去的111     if((icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id == (pid & 0xffff))) 
112     {113         if((icmp->icmp_seq < 0) || (icmp->icmp_seq > PACKET_SEND_MAX_NUM))114         {115             fprintf(stderr, "icmp packet seq is out of range!\n");116             return -1;117         }118 119         ping_packet[icmp->icmp_seq].flag = 0;120         begin_time = ping_packet[icmp->icmp_seq].begin_time;121         gettimeofday(&recv_time, NULL);122 123         offset_time = cal_time_offset(begin_time, recv_time);124         rtt = offset_time.tv_sec*1000 + offset_time.tv_usec/1000; //毫秒為單位125 126         printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%d ms\n",127             len, inet_ntoa(ip_hdr->ip_src), icmp->icmp_seq, ip_hdr->ip_ttl, rtt);        
128 129     }130     else131     {132         fprintf(stderr, "Invalid ICMP packet! Its id is not matched!\n");133         return -1;134     }135     return 0;136 }137 138 void ping_send()139 {140     char send_buf[128];141     memset(send_buf, 0, sizeof(send_buf));142     gettimeofday(&start_time, NULL); //記錄第一個ping包發出的時間143     while(alive)144     {145         int size = 0;146         gettimeofday(&(ping_packet[send_count].begin_time), NULL);147         ping_packet[send_count].flag = 1; //將該標記為設置為該包已發送148 149         icmp_pack((struct icmp*)send_buf, send_count, 64); //封裝icmp包150         size = sendto(rawsock, send_buf, 64, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));151         send_count++; //記錄發出ping包的數量152         if(size < 0)153         {154             fprintf(stderr, "send icmp packet fail!\n");155             continue;156         }157 158         sleep(1);159     }160 }161 162 void ping_recv()163 {164     struct timeval tv;165     tv.tv_usec = 200;  //設置select函數的超時時間為200us166     tv.tv_sec = 0;167     fd_set read_fd;168     char recv_buf[512];169     memset(recv_buf, 0 ,sizeof(recv_buf));170     while(alive)171     {172         int ret = 0;173         FD_ZERO(&read_fd);174         FD_SET(rawsock, &read_fd);175         ret = select(rawsock+1, &read_fd, NULL, NULL, &tv);176         switch(ret)177         {178             case -1:179                 fprintf(stderr,"fail to select!\n");180                 break;181             case 0:182                 break;183             default:184                 {185                     int size = recv(rawsock, recv_buf, sizeof(recv_buf), 0);186                     if(size < 0)187                     {188                         fprintf(stderr,"recv data fail!\n");189                         continue;190                     }191 192                     ret = icmp_unpack(recv_buf, size); //對接收的包進行解封193                     if(ret == -1)  //不是屬于自己的icmp包，丟棄不處理194                     {195                         continue;196                     }197                     recv_count++; //接收包計數198                 }199                 break;200         }201 202     }203 }204 205 void icmp_sigint(int signo)206 {207     alive = 0;208     gettimeofday(&end_time, NULL);209     time_interval = cal_time_offset(start_time, end_time);210 }211 212 void ping_stats_show()213 {214     long time = time_interval.tv_sec*1000+time_interval.tv_usec/1000;215     /*注意除數不能為零，這里send_count有可能為零，所以運行時提示錯誤*/216     printf("%d packets transmitted, %d recieved, %d%c packet loss, time %ldms\n",217         send_count, recv_count, (send_count-recv_count)*100/send_count, '%', time);218 }219 220 221 int main(int argc, char* argv[])222 {223     int size = 128*1024;//128k224     struct protoent* protocol = NULL;225     char dest_addr_str[80];226     memset(dest_addr_str, 0, 80);227     unsigned int inaddr = 1;228     struct hostent* host = NULL;229 230     pthread_t send_id,recv_id;231 232     if(argc < 2)233     {234         printf("Invalid IP ADDRESS!\n");235         return -1;236     }237 238     protocol = getprotobyname("icmp"); //獲取協議類型ICMP239     if(protocol == NULL)240     {241         printf("Fail to getprotobyname!\n");242         return -1;243     }244 245     memcpy(dest_addr_str, argv[1], strlen(argv[1])+1);246 247     rawsock = socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto);248     if(rawsock < 0)249     {250         printf("Fail to create socket!\n");251         return -1;252     }253 254     pid = getpid();255 256     setsockopt(rawsock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size)); //增大接收緩沖區至128K257 258     bzero(&dest,sizeof(dest));259 260     dest.sin_family = AF_INET;261 262     inaddr = inet_addr(argv[1]);263     if(inaddr == INADDR_NONE)   //判斷用戶輸入的是否為IP地址還是域名264     {265         //輸入的是域名地址266         host = gethostbyname(argv[1]);267         if(host == NULL)268         {269             printf("Fail to gethostbyname!\n");270             return -1;271         }272 273         memcpy((char*)&dest.sin_addr, host->h_addr, host->h_length);274     }275     else276     {277         memcpy((char*)&dest.sin_addr, &inaddr, sizeof(inaddr));//輸入的是IP地址278     }279     inaddr = dest.sin_addr.s_addr;280     printf("PING %s, (%d.%d.%d.%d) 56(84) bytes of data.\n",dest_addr_str,281         (inaddr&0x000000ff), (inaddr&0x0000ff00)>>8, 
282         (inaddr&0x00ff0000)>>16, (inaddr&0xff000000)>>24);283 284     alive = 1;  //控制ping的發送和接收285 286     signal(SIGINT, icmp_sigint);287 288     if(pthread_create(&send_id, NULL, (void*)ping_send, NULL))289     {290         printf("Fail to create ping send thread!\n");291         return -1;292     }293 294     if(pthread_create(&recv_id, NULL, (void*)ping_recv, NULL))295     {296         printf("Fail to create ping recv thread!\n");297         return -1;298     }299 300     pthread_join(send_id, NULL);//等待send ping線程結束后進程再結束301     pthread_join(recv_id, NULL);//等待recv ping線程結束后進程再結束302 303     ping_stats_show();304 305     close(rawsock);306     return 0;307 308 }

編譯以及實驗現象如下：
我的實驗環境是兩臺服務器，發起ping的主機是172.0.5.183，被ping的主機是172.0.5.182，以下是我的兩次實驗現象（ping IP和ping 域名）。

特別注意： 

只有root用戶才能利用socket()函數生成原始套接字，要讓Linux的一般用戶能執行以上程序，需進行如下的特別操作：用root登陸，編譯以上程序gcc -lpthread -o ping ping.c

實驗現象可以看出，PING是成功的，表明兩主機間的網絡是通的，發出的所有ping包都收到了回復。

下面是Linux系統自帶的PING程序，我們可以對比一下我們設計的PING程序跟系統自帶的PING程序有何不同。