《网络编程》原始套接字 -ping程序实现

《网络编程》原始套接字 ---ping程序实现

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：
   • 若没有开启 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；
   • 若开启 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：

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：

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: %cn", 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 lostn", 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 msn",
				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 = %dn",
				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》