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《网络编程》原始套接字 ---ping程序实现

时间:2014-12-23 19:32:35      阅读:231      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:icmp报文   ping   原始套接字   

概述

        基于字节流套接字(SOCK_STREAM)和数据报套接字(SOCK_DGRAM)不可以访问传输层协议,只是对应用层的报文进行操作,传输层的数据报格式都是由系统提供的协议栈实现,用户只需要填充相应的应用层报文,由系统完成底层报文首部的填充并发送。原始套接字(SOCK_RAW)可以访问位于基层的传输层协议,原始套接字没有端口号。

        原始套接字(SOCK_RAW)是一种不同于 SOCK_STREAM、SOCK_DGRAM 的套接字,它实现于系统核心。原始套接字使进程可以读与写 ICMP、IGMP 等网络报文;也可以处理特殊的 IPv4 报文;进程还可以通过设置 IP_HDRINCL 套接字选项由用户自行构造 IP 首部。原始套接字可以用来自行组装 IP 数据报,然后将数据报发送到其他终端。但是只有管理员权限才能使用原始套接字,可防止普通用户往网络写入它们自行构造的 IP 数据报。

原始套接字创建

调用 socket 函数创建套接字时,指定套接字类型为 SOCK_RAW 以创建一个原始套接字。

int sockfd;
/* 创建一个 IPv4 的原始套接字 */
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol);

创建原始套接字之后,可以选择是否开启 IP_HDRINCL 套接字选项。

const int on = 1;
if(setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, &on, sizeof(on)) < 0)
/* 接下来是一些错误处理程序 */

原始套接字输出

原始套接字的输出遵循以下规则:

  1. 若套接字已经连接,则可以调用 write、writev 或 send 函数输出,否则,普通输出只能调用 sendto 或 sendmsg 函数并指定目的 IP 地址完成输出;
  2. 进程让内核所发送数据的起始地址:
    • 没有开启 P_HDRINCL 套接字选项,则起始地址是 IP 首部之后的第一个字节,因为此时,IP 首部由内核构造,并把它放在来自进程的数据之前;
    • 开启 P_HDRINCL 套接字选项,则起始地址是 IP 首部的第一个字节,因为此时,IP 首部由进程构造,所以进程数据包含 IP 首部;
  3. 内核会对超出外出接口 MTU(最大传输单元)的原始分组进行分片;

原始套接字输入

原始套接字遵循以下规则:

  1. 接收到的 UDP 分组和 TCP 分组绝不传递到任何原始套接字;
  2. 大多数的 ICMP 分组在内核处理完其中的 ICMP 消息后传递到原始套接字;
  3. 所有的 IGMP 分组在内核处理完其中的 IGMP 消息后传递到原始套接字;
  4. 内核无法识别的协议字段的所有 IP 数据报传递到原始套接字;
  5. 在数据报的所有分片到达之前,不传递任何分片到原始套接字;

         内核在传递 IP 数据报到原始套接字之前,必须对所有进程上的所有原始套接字进行匹配检测,若匹配成功,才把 IP 数据报的副本传递到匹配的原始套接字。检测匹配步骤如下:

  1. 创建原始套接字时 socket 函数的第三个参数必须指定非 0 值;
  2. 若原始套接字 bind 绑定到某个本地 IP 地址,则该本地 IP 地址必须与 IP 数据报的目的 IP 地址匹配;
  3. 若原始套接字已由 connect 调用指定某个外地 IP 地址,则该外地 IP 地址必须与 IP 数据报的源 IP 地址匹配;

Ping 程序

        ping 程序的操作比较简单,当源主机向目标主机发送了 ICMP 回显请求数据报后,它期待着目标主机的回答。目标主机在收到一个 ICMP 回显请求数据报后,它会交换源、目的主机的地址,然后将收到的 ICMP 回显请求数据报中的数据部分原封不动地封装在自己的 ICMP 回显应答数据报中,然后发回给发送 ICMP 回显请求的一方。如果校验正确,发送者便认为目标主机的回显服务正常,也即物理连接畅通。

        ping 程序编程需要用到 ICMP 协议,有关 ICMP 协议的知识可以参考前面的文章《ICMP 协议》。ping 命令只使用众多 ICMP 报文中的两种:"请求(ICMP_ECHO)"和"回应(ICMP_ECHOREPLY)",这两种 ICMP 报文格式如下图所示:

技术分享

首先看下系统自带 ping 程序的输出:

$ ping www.github.com
PING github.com (192.30.252.128) 56(84) bytes of data.
64 bytes from github.com (192.30.252.128): icmp_req=1 ttl=45 time=269 ms
64 bytes from github.com (192.30.252.128): icmp_req=2 ttl=45 time=274 ms
64 bytes from github.com (192.30.252.128): icmp_req=3 ttl=45 time=270 ms
64 bytes from github.com (192.30.252.128): icmp_req=4 ttl=45 time=281 ms
64 bytes from github.com (192.30.252.128): icmp_req=5 ttl=45 time=283 ms
64 bytes from github.com (192.30.252.128): icmp_req=6 ttl=45 time=249 ms
64 bytes from github.com (192.30.252.128): icmp_req=7 ttl=45 time=253 ms
^C
--- github.com ping statistics ---
7 packets transmitted, 7 received, 0% packet loss, time 6006ms
rtt min/avg/max/mdev = 249.472/269.010/283.945/12.186 ms

ping 程序的编程步骤:

1) 创建类型为 SOCK_RAW 的原始套接字,同时设定协议为 IPPROTO_ICMP;
2) 创建并初始化 ICMP 首部;
3) 调用 sendto 函数,将 ICMP 请求发给远程主机;
4) 调用 recvform函数,以接收任何 ICMP 响应;

Linux 中<netinet/ip_icmp.h> ICMP 的数据结构定义如下:

struct icmp
{
  u_int8_t  icmp_type;	/* type of message, see below */
  u_int8_t  icmp_code;	/* type sub code */
  u_int16_t icmp_cksum;	/* ones complement checksum of struct */
  union
  {
    u_char ih_pptr;		/* ICMP_PARAMPROB */
    struct in_addr ih_gwaddr;	/* gateway address */
    struct ih_idseq		/* echo datagram */
    {
      u_int16_t icd_id;
      u_int16_t icd_seq;
    } ih_idseq;
    u_int32_t ih_void;

    /* ICMP_UNREACH_NEEDFRAG -- Path MTU Discovery (RFC1191) */
    struct ih_pmtu
    {
      u_int16_t ipm_void;
      u_int16_t ipm_nextmtu;
    } ih_pmtu;

    struct ih_rtradv
    {
      u_int8_t irt_num_addrs;
      u_int8_t irt_wpa;
      u_int16_t irt_lifetime;
    } ih_rtradv;
  } icmp_hun;
#define	icmp_pptr	icmp_hun.ih_pptr
#define	icmp_gwaddr	icmp_hun.ih_gwaddr
#define	icmp_id		icmp_hun.ih_idseq.icd_id
#define	icmp_seq	icmp_hun.ih_idseq.icd_seq
#define	icmp_void	icmp_hun.ih_void
#define	icmp_pmvoid	icmp_hun.ih_pmtu.ipm_void
#define	icmp_nextmtu	icmp_hun.ih_pmtu.ipm_nextmtu
#define	icmp_num_addrs	icmp_hun.ih_rtradv.irt_num_addrs
#define	icmp_wpa	icmp_hun.ih_rtradv.irt_wpa
#define	icmp_lifetime	icmp_hun.ih_rtradv.irt_lifetime
  union
  {
    struct
    {
      u_int32_t its_otime;
      u_int32_t its_rtime;
      u_int32_t its_ttime;
    } id_ts;
    struct
    {
      struct ip idi_ip;
      /* options and then 64 bits of data */
    } id_ip;
    struct icmp_ra_addr id_radv;
    u_int32_t   id_mask;
    u_int8_t    id_data[1];
  } icmp_dun;
#define	icmp_otime	icmp_dun.id_ts.its_otime
#define	icmp_rtime	icmp_dun.id_ts.its_rtime
#define	icmp_ttime	icmp_dun.id_ts.its_ttime
#define	icmp_ip		icmp_dun.id_ip.idi_ip
#define	icmp_radv	icmp_dun.id_radv
#define	icmp_mask	icmp_dun.id_mask
#define	icmp_data	icmp_dun.id_data
};

构成 ping 程序的各个函数及其关系如下图所示:

技术分享

首先定义一个头文件:

#ifndef PING_H
#define PING_H

#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>

#include <sys/socket.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netdb.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>

#define BUFSIZE 4096

char sendbuf[BUFSIZE];

extern int datalen;            /* # bytes of data following ICMP header */
char *host;
int nsent;              /* add 1 for each sendto() */
int nrecv;              /* add 1 for each recvmsg() */
pid_t pid;              /* our PID */
int sockfd;
int verbose;


/* function prototypes */
void init_v6(void);
void proc_v4(char *, ssize_t, struct msghdr *, struct timeval *);
void proc_v6(char *, ssize_t, struct msghdr *, struct timeval *);
void send_v4(void);
void send_v6(void);
void readloop(void);
void sig_alrm(int);
void tv_sub(struct timeval *, struct timeval *);

/* 这个结构主要是为了处理IPv4与IPv6之间的差异 */
struct proto
{
    /* 3个函数指针 */
    void (*fproc)(char *, ssize_t, struct msghdr *, struct timeval *);
    void (*fsend)(void);
    void (*finit)(void);

    /* 2个套接字地址结构指针 */
    struct sockaddr *sasend;    /* sockaddr{} for send, from getaddrinfo */
    struct sockaddr *sarecv;    /* sockaddr for receiving */

    socklen_t salen;            /* length of sockaddr{}s */
    /* ICMP 协议值 */
    int icmpprot;               /* IPPROTO_xxx value for ICMP */
} *pr;

#ifdef IPV6

#include <netinet/ip6.h>
#include <netinet/icmp6.h>

#endif
#endif

接着看下主函数:

#include "ping.h"


/* 初始化IPv4结构 */
struct proto proto_v4 = {proc_v4, send_v4, NULL, NULL, NULL, 0, IPPROTO_ICMP};

#ifdef IPV6
/* 若存在IPv6,则初始化IPv6结构 */
struct proto proto_v6 = {proc_v6, send_v6, init_v6, NULL, NULL, 0, IPPROTO_ICMPV6};
#endif
typedef void Sigfunc(int);
extern int datalen = 56;       /* data that goes with ICMP echo request */

extern Sigfunc *MySignal(int signo, Sigfunc *func);
extern struct addrinfo *host_serv(const char *host, const char *serv, int family, int socktype);
extern char *Sock_ntop_host(const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
extern void *Calloc(size_t n, size_t size);
void statistics(int signo);

int main(int argc, char **argv)
{
    int n;
    struct addrinfo *ai;
    char *h;

    opterr = 0;     /* don't want getopt() writing to stderr */

    /* 只实现ping的一个参数选项-v供查询 */
    /* 有关getopt函数的使用可以查阅相关资料 */
    while( (n = getopt(argc, argv, "v")) != -1)
    {
        switch(n)
        {
            case 'v':
                verbose++;
                break;
            case '?':
                printf("unrecognize option: %c\n", n);
                exit(1);
        }
    }

    if(optind != argc-1)
    {
        perror("usage: ping [ -v ] <hostname>");
        exit(1);
    }

    host = argv[optind];

    pid = getpid() & 0xffff;    /* ICMP ID field is 16 bits */

    MySignal(SIGALRM, sig_alrm);
    MySignal(SIGINT, statistics);

    /* 将主机名和服务名映射到一个地址,并返回指向addrinfo的指针 */
    ai = host_serv(host, NULL, 0, 0);
    /* 将网络字节序的地址转换为字符串格式地址,并返回该字符串的指针 */
    h = Sock_ntop_host(ai->ai_addr, ai->ai_addrlen);

    /* 显示PING的主机名、地址与数据字节数 */
    printf("PING %s (%s) %d bytes of data.\n", ai->ai_canonname ? ai->ai_canonname : h, h, datalen);

    /* initialize according to protocol */
    if(ai->ai_family == AF_INET)
    {
        pr = &proto_v4;/* proto结构指针pr指向对应域的结构,这里是IPv4域的结构 */
#ifdef IPV6
    }else if(ai->family == AF_INET6)
    {
        pr = &proc_v6;
        if(IN6_IS_ADDR_V4MAPPED(&(((struct sockaddr_in6 *)ai->ai_addr)->sin6_addr)))
        {
            perror("connot ping IPv4-mapped IPv6 address");
            exit(1);
        }
#endif
    }else
    {
        printf("unknown address family %d", ai->ai_family);
        exit(1);
    }

    pr->sasend = ai->ai_addr;/* 发送地址赋值 */
    pr->sarecv = (struct sockaddr *)Calloc(1, ai->ai_addrlen);
    pr->salen = ai->ai_addrlen;/* 地址的大小 */

    /* 处理数据 */
    readloop();

    exit(0);

}
/* 显示发送和接收数据报的个数,并计算丢包率 */
void statistics(int signo)
{
    printf("\n----------- %s ping statistics -----------\n", Sock_ntop_host(pr->sarecv, pr->salen));
    int lost = 100*(nsent-nrecv)/nsent;
    printf("%d packets transmitted, %d received, %d packet lost\n", nsent, nrecv, lost);
    close(sockfd);
    exit(1);
}

数据处理函数

#include "ping.h"

void readloop()
{
int size;
char recvbuf[BUFSIZE];
char controlbuf[BUFSIZE];

struct msghdr msg;
struct iovec iov;

ssize_t n;
struct timeval tval;

/* 创建ICMP的原始套接字,必须是root权限 */
if( (sockfd = socket(pr->sasend->sa_family, SOCK_RAW, pr->icmpprot)) < 0)
{
perror("socket error");
exit(1);
}
/* 回收root权限,设置当前用户权限 */
setuid(getuid());
/* 初始化IPv6 */
if(pr->finit)
(*pr->finit)();

size = 60 * 1024;
/* 设置接收缓冲区的大小为60k,主要为了减小接收缓冲区溢出 */
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &size, sizeof(size));

/* 发送第一个数据包 */
sig_alrm(SIGALRM);

/* 初始化接收缓冲区 */
iov.iov_base = recvbuf;
iov.iov_len = sizeof(recvbuf);
msg.msg_name = pr->sarecv;
msg.msg_iov = &iov;
msg.msg_iovlen = 1;
msg.msg_control = controlbuf;

for( ; ;)
{
/* 接收ICMP数据包 */
msg.msg_namelen = pr->salen;
msg.msg_controllen = sizeof(controlbuf);
/* 从套接字接收数据 */
n = recvmsg(sockfd, &msg, 0);
if(n < 0)
{
if(errno == EINTR)
continue;
else
{
perror("recvmsg error");
exit(1);
}
}
/* 记录接收时间 */
gettimeofday(&tval, NULL);
/* 调用处理函数 */
(*pr->fproc)(recvbuf, n, &msg, &tval);
}
}

发送回显请求数据报:

#include	"ping.h"
/* 在IPv4域中发送数据包 */
extern uint16_t in_cksum(uint16_t *addr, int len);
void
send_v4(void)
{
	int			len;
	struct icmp	*icmp;


    /* 设置ICMP报头 */
	icmp = (struct icmp *) sendbuf;
	icmp->icmp_type = ICMP_ECHO;/* 回显请求 */
	icmp->icmp_code = 0;
	icmp->icmp_id = pid;
	icmp->icmp_seq = nsent++;
	memset(icmp->icmp_data, 0xa5, datalen);	/* fill with pattern */
	gettimeofday((struct timeval *) icmp->icmp_data, NULL);/* 记录发送时间 */

	len = 8 + datalen;		/* checksum ICMP header and data */
	icmp->icmp_cksum = 0;
    /* 检验和算法 */
	icmp->icmp_cksum = in_cksum((u_short *) icmp, len);

    /* 发送数据包 */
	if( len != sendto(sockfd, sendbuf, len, 0, pr->sasend, pr->salen))
    {
        perror("sendto error");
        exit(1);
    }
}

接收数据,并显示回显应答数据报:

#include	"ping.h"

extern char *Sock_ntop_host(const struct sockaddr *sa, socklen_t salen);
void
proc_v4(char *ptr, ssize_t len, struct msghdr *msg, struct timeval *tvrecv)
{
	int				hlen1, icmplen;
	double			rtt;
	struct ip		*ip;
	struct icmp		*icmp;
	struct timeval	*tvsend;

	ip = (struct ip *) ptr;		/* start of IP header */
    /* IP报文首部长度,即IP报文首部的长度标志乘以4 */
	hlen1 = ip->ip_hl << 2;		/* length of IP header */
	if (ip->ip_p != IPPROTO_ICMP)
		return;				/* not ICMP */

    /* 越过IP报头,指向ICMP报头 */
	icmp = (struct icmp *) (ptr + hlen1);	/* start of ICMP header */
    /* ICMP报头及ICMP数据报的总长度,若小于8,则不合理 */
	if ( (icmplen = len - hlen1) < 8)
		return;				/* malformed packet */

    /* 确保所有接收的数据报是ICMP回显应答 */
	if (icmp->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY) {
		if (icmp->icmp_id != pid)
			return;			/* not a response to our ECHO_REQUEST */
		if (icmplen < 16)
			return;			/* not enough data to use */

		tvsend = (struct timeval *) icmp->icmp_data;
        /* 计算接收和发送的时间差 */
		tv_sub(tvrecv, tvsend);
        /* 以毫秒为单位计算rtt */
		rtt = tvrecv->tv_sec * 1000.0 + tvrecv->tv_usec / 1000.0;

        /* 打印相关信息 */
		printf("%d bytes from %s: icmp_seq=%u  ttl=%d  rtt=%.3f ms\n",
				icmplen, Sock_ntop_host(pr->sarecv, pr->salen),
				icmp->icmp_seq, ip->ip_ttl, rtt);
        nrecv++;

	} else if (verbose) {
		printf("  %d bytes from %s: icmp_type = %d, icmp_code = %d\n",
				icmplen, Sock_ntop_host(pr->sarecv, pr->salen),
				icmp->icmp_type, icmp->icmp_code);
	}
}

计算检验和函数:

#include <stdint.h>
/* 检验和算法 */
uint16_t
in_cksum(uint16_t *addr, int len)
{
	int				nleft = len;
	uint32_t		sum = 0;
	uint16_t		*w = addr;
	uint16_t		answer = 0;

	/*
	 * Our algorithm is simple, using a 32 bit accumulator (sum), we add
	 * sequential 16 bit words to it, and at the end, fold back all the
	 * carry bits from the top 16 bits into the lower 16 bits.
	 */
    /* 把ICMP报头二进制数据以2字节为单位进行累加 */
	while (nleft > 1)  {
		sum += *w++;
		nleft -= 2;
	}

		/* 4mop up an odd byte, if necessary */
	if (nleft == 1) {/* 若ICMP报头为奇数个字节,把最后一个字节视为2字节数据的高字节,则低字节为0,继续累加 */
		*(unsigned char *)(&answer) = *(unsigned char *)w ;
		sum += answer;
	}

		/* 4add back carry outs from top 16 bits to low 16 bits */
	sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);	/* add hi 16 to low 16 */
	sum += (sum >> 16);			/* add carry */
	answer = ~sum;				/* truncate to 16 bits */
	return(answer);
}

信号处理函数:

#include	"ping.h"

/* 发送数据包,并设置闹钟,一秒钟后给所在进程发送SIGALRM信号  */
void
sig_alrm(int signo)
{
	(*pr->fsend)();

	alarm(1);
	return;
}

编译步骤:

sudo make

sudo chmod u+s Ping

测试:

$ ./Ping www.github.com
PING github.com (192.30.252.129) 56 bytes of data.
64 bytes from 192.30.252.129: icmp_seq=0  ttl=45  rtt=303.057 ms
64 bytes from 192.30.252.129: icmp_seq=1  ttl=45  rtt=301.416 ms
64 bytes from 192.30.252.129: icmp_seq=2  ttl=45  rtt=301.614 ms
64 bytes from 192.30.252.129: icmp_seq=3  ttl=45  rtt=301.727 ms
64 bytes from 192.30.252.129: icmp_seq=4  ttl=45  rtt=308.911 ms
64 bytes from 192.30.252.129: icmp_seq=5  ttl=45  rtt=303.088 ms
64 bytes from 192.30.252.129: icmp_seq=6  ttl=45  rtt=305.763 ms
^C
----------- 192.30.252.129 ping statistics -----------
7 packets transmitted, 7 received, 0 packet lost


注:这里只是给出 IPv4 实现的 ping 程序,完整程序可以到我的github下载,下载地址《Ping完整程序》。

参考资料:

《Unix 网络编程》

《网络编程》原始套接字 ---ping程序实现

标签:icmp报文   ping   原始套接字   

原文地址:http://blog.csdn.net/chenhanzhun/article/details/42080777

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