实现Ping功能中的校验和算法

随着互联网技术的普及和不断发展，互联网已经成为了人们生活中必不可少的一部分。在计算机软件领域中，与互联网相关的应用程序受到了追捧。在本节中，将详细讲解算法在网络应用中的作用。

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Ping命令是用来查看网络上另一个主机系统的网络连接是否正常的一个工具。Ping命令的工作原理是：向网络上的另一个主机系统发送ICMP(Internet Control Message Protocol，Internet控制报文协议）报文，如果指定系统得到了报文，它将把报文一模一样地传回给发送者，这有点像潜水艇声纳系统中使用的发声装置。例如，在Linux终端上执行Ping localhost命令将会看到以下结果。

PING localhost.localdomain (127.0.0.1) from 127.0.0.1 : 56(84) bytes of data.
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=0 ttl=255 time=112 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=1 ttl=255 time=79 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=2 ttl=255 time=78 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=3 ttl=255 time=82 usec
--- localhost.localdomain ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max/mdev = 0.078/0.087/0.112/0.018 ms

由上面的执行结果可以看到，Ping命令执行后显示出被测试系统主机名和相应IP地址、返回给当前主机的ICMP报文顺序号、ttl生存时间和往返时间rtt（单位是ms）。要实现一个模拟Ping命令的C语言程序，上述提示信息对编程有很大帮助。

实例15-1　编程实现Ping命令

源码路径　光盘\daima\15\15-1.c

问题描述：编写实现Ping命令的C语言程序。

算法分析：要真正了解Ping命令实现原理，不但需要了解Ping命令所使用到的TCP/IP协议，而且需要了解ICMP协议。ICMP是提供给网关和目标主机的一种差错控制机制，使它们在遇到差错时能把错误报告给报文源发方。ICMP是IP层的一个协议，但是由于差错报告在发送给报文源发方时可能也要经过若干子网，因此牵涉到路由选择等问题，所以ICMP报文需通过IP协议来发送。ICMP数据报的数据发送前需要两级封装：首先添加ICMP报头形成ICMP报文，再添加IP报头形成IP数据报。

具体实现：首先编写实例文件ip.h实现IP报头格式数据结构，具体实现代码如下所示。

struct ip
 {
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
unsigned int ip_hl:4; /* header length */
unsigned int ip_v:4; /* version */
#endif
#if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
unsigned int ip_v:4; /* version */
unsigned int ip_hl:4; /* header length */
#endif
 u_int8_t ip_tos; /* type of service */
 u_short ip_len; /* total length */
 u_short ip_id; /* identification */
 u_short ip_off; /* fragment offset field */
#define IP_RF 0x8000 /* reserved fragment flag */
#define IP_DF 0x4000 /* dont fragment flag */
#define IP_MF 0x2000 /* more fragments flag */
#define IP_OFFMASK 0x1fff /* mask for fragmenting bits */
 u_int8_t ip_ttl; /* time to live */
 u_int8_t ip_p; /* protocol */
 u_short ip_sum; /* checksum */
struct in_addr ip_src, ip_dst; /* source and dest address */
 };

然后编写文件ip_icmp.h，功能是实现ICMP数据结构。

#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
};

最后编写测试文件15-1.c，系统自带的Ping命令当它接送完所有ICMP报文后，会对所有发送和所有接收的ICMP报文进行统计，从而计算ICMP报文的丢失率。首先定义了两个全局变量，分别用于接收计数器和发送计数器，记录ICMP报文接收和发送数目。丢失数目=发送总数?接收总数，丢失率=丢失数目/发送总数。文件15-1.c的具体实现代码如下所示。

#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <netinet/in.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <netdb.h>
#include <setjmp.h>
#include <errno.h>
#define PACKET_SIZE 4096
#define MAX_WAIT_TIME 5
#define MAX_NO_PACKETS 3
char sendpacket[PACKET_SIZE];
char recvpacket[PACKET_SIZE];
int sockfd,datalen=56;
int nsend=0,nreceived=0;
struct sockaddr_in dest_addr;
pid_t pid;
struct sockaddr_in from;
struct timeval tvrecv;
void statistics(int signo);
unsigned short cal_chksum(unsigned short *addr,int len);
int pack(int pack_no);
void send_packet(void);
void recv_packet(void);
int unpack(char *buf,int len);
void tv_sub(struct timeval *out,struct timeval *in);
void statistics(int signo)
{ printf("\n--------------------PING statistics-------------------\n");
printf("%d packets transmitted, %d received , %%%d lost\n",nsend,nreceived,
 (nsend-nreceived)/nsend*100);
close(sockfd);
exit(1);
}
/*校验和算法*/
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报头二进制数据以2个字节为单位累加起来*/
while(nleft>1)
 { sum+=*w++;
 nleft-=2;
 }
 /*若ICMP报头为奇数个字节，会剩下最后一个字节。把最后一个字节视为一个2个字节数据的高字节，该数据的低字节为0，继续累加*/
if( nleft==1)
 { *(unsigned char *)(&answer)=*(unsigned char *)w;
 sum+=answer;
 }
sum=(sum>>16)+(sum&0xffff);
sum+=(sum>>16);
answer=～sum;
return answer;
}
/*设置ICMP报头*/
int pack(int pack_no)
{ int i,packsize;
struct icmp *icmp;
struct timeval *tval;
icmp=(struct icmp*)sendpacket;
icmp->icmp_type=ICMP_ECHO;
icmp->icmp_code=0;
icmp->icmp_cksum=0;
icmp->icmp_seq=pack_no;
icmp->icmp_id=pid;
packsize=8+datalen;
tval= (struct timeval *)icmp->icmp_data;
 gettimeofday(tval,NULL); /*记录发送时间*/
 icmp->icmp_cksum=cal_chksum( (unsigned short *)icmp,packsize); /*校验算法*/
return packsize;
}
/*发送3个ICMP报文*/
void send_packet()
{ int packetsize;
while( nsend<MAX_NO_PACKETS)
 { nsend++;
 packetsize=pack(nsend); /*设置ICMP报头*/
if( sendto(sockfd,sendpacket,packetsize,0,
 (struct sockaddr *)&dest_addr,sizeof(dest_addr) )<0 )
 { perror("sendto error");
 continue;
 }
 sleep(1); /*每隔一秒发送一个ICMP报文*/
 }
}
/*接收所有ICMP报文*/
void recv_packet()
{ int n,fromlen;
 extern int errno;
 signal(SIGALRM,statistics);
fromlen=sizeof(from);
while( nreceived<nsend)
 { alarm(MAX_WAIT_TIME);
if( (n=recvfrom(sockfd,recvpacket,sizeof(recvpacket),0,
 (struct sockaddr *)&from,&fromlen)) <0)
 { if(errno==EINTR)continue;
 perror("recvfrom error");
 continue;
 }
 gettimeofday(&tvrecv,NULL); /*记录接收时间*/
if(unpack(recvpacket,n)==-1)continue;
nreceived++;
 }
}
/*剥去ICMP报头*/
int unpack(char *buf,int len)
{ int i,iphdrlen;
 struct ip *ip;
 struct icmp *icmp;
 struct timeval *tvsend;
 double rtt;
 ip=(struct ip *)buf;
 iphdrlen=ip->ip_hl<<2; /*求ip报头长度,即ip报头的长度标志乘4*/
 icmp=(struct icmp *)(buf+iphdrlen); /*越过ip报头,指向ICMP报头*/
 len-=iphdrlen; /*ICMP报头及ICMP数据报的总长度*/
 if( len<8) /*小于ICMP报头长度则不合理*/
 { printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
 return -1;
 }
 /*确保所接收的是所发的ICMP的回应*/
if( (icmp->icmp_type==ICMP_ECHOREPLY) && (icmp->icmp_id==pid) )
 { tvsend=(struct timeval *)icmp->icmp_data;
 tv_sub(&tvrecv,tvsend); /*接收和发送的时间差*/
 rtt=tvrecv.tv_sec*1000+tvrecv.tv_usec/1000; /*以毫秒为单位计算rtt*/
 /*显示相关信息*/
 printf("%d byte from %s: icmp_seq=%u ttl=%d rtt=%.3f ms\n",
 len, inet_ntoa(from.sin_addr),
 icmp->icmp_seq,
 ip->ip_ttl,
rtt);
 }
else return -1;
}
main(int argc,char *argv[])
{ struct hostent *host;
 struct protoent *protocol;
 unsigned long inaddr=0l;
 int waittime=MAX_WAIT_TIME;
 int size=50*1024;
if(argc<2)
 { printf("usage:%s hostname/IP address\n",argv[0]);
 exit(1);
 }
if( (protocol=getprotobyname("icmp") )==NULL)
 { perror("getprotobyname");
 exit(1);
 }
 /*生成使用ICMP的原始套接字,这种套接字只有root才能生成*/
if( (sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol->p_proto) )<0)
 { perror("socket error");
exit(1);
 }
 /* 回收root权限,设置当前用户权限*/
setuid(getuid());
 /*扩大套接字接收缓冲区到50K，这样做主要为了减小接收缓冲区溢出的的可能性，若无意中Ping一个广播地址或多播地址,将会引来大量应答*/
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,&size,sizeof(size) );
bzero(&dest_addr,sizeof(dest_addr));
 dest_addr.sin_family=AF_INET;
 /*判断是主机名还是IP地址*/
if( inaddr=inet_addr(argv[1])==INADDR_NONE)
 { if((host=gethostbyname(argv[1]) )==NULL) /*是主机名*/
 { perror("gethostbyname error");
 exit(1);
 }
memcpy( (char *)&dest_addr.sin_addr,host->h_addr,host->h_length);
 }
 else /*是IP地址*/
memcpy( (char *)&dest_addr,(char *)&inaddr,host->h_length);
 /*获取main的进程id,用于设置ICMP的标志符*/
pid=getpid();
printf("PING %s(%s): %d bytes data in ICMP packets.\n",argv[1],
 inet_ntoa(dest_addr.sin_addr),datalen);
 send_packet(); /*发送所有ICMP报文*/
 recv_packet(); /*接收所有ICMP报文*/
 statistics(SIGALRM); /*进行统计*/
return 0;
}
/*两个timeval结构相减*/
void tv_sub(struct timeval *out,struct timeval *in)
{ if( (out->tv_usec-=in->tv_usec)<0)
 { --out->tv_sec;
out->tv_usec+=1000000;
 }
out->tv_sec-=in->tv_sec;
}
/*------------- The End -----------*/

在整个过程中用到了网际校验和算法，把被校验的数据16位进行累加，然后取反码。如果数据字节长度为奇数，则数据尾部补一个字节的０以凑成偶数。此算法适用于IPv4、ICMPv4、IGMPV4、ICMPv6、UDP和TCP校验和，校验和字段是前面ICMP数据结构中的icmp_cksum变量。

在Linux环境编译运行后执行后输出结果如下所示。

64 byte from 202.95.2.148: icmp_seq=1 ttl=242 rtt=3029.000 ms
64 byte from 202.95.2.148: icmp_seq=2 ttl=242 rtt=2020.000 ms
64 byte from 202.95.2.148: icmp_seq=3 ttl=242 rtt=1010.000 ms
--------------------PING statistics-------------------
3 packets transmitted, 3 received , %0 lost

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