通信编程：基于 ICMP 编写 ping 程序

2022-05-19 07:26:57

ICMP 协议
原始套接字
ping 程序编写
参考资料

ICMP 协议

因特网控制报文协议

ICMP，即因特网控制报文协议，在主机和路由器之间起到沟通网络层信息的作用。最典型的用途就是差错报告，它允许主机或路由器报告查错情况和提交有关异常情况的报告。例如网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息，这些控制消息虽对于数据的传递起着重要的作用。ICMP 报文作为 IP 有效载荷承载的，因此虽然 ICMP 被认为是 IP 的一部分，但在体系结构上 ICMP 位于 IP 之上。当主机接收到指明上层协议为 ICMP 的 IP 数据报时，该数据报分解的内容应当交给 ICMP。

ICMP 报文格式

ICMP 报文包括 IP 头部、ICMP 头部和 ICMP 报文 3 个部分，ICMP 报文是作为 IP 有效载荷承载的。

字段	说明
Type	ICMP 的类型,标识生成的错误报文；
Code	进一步划分 ICMP 的类型,该字段用来查找产生错误的原因；
Checksum	校验码，字段包含有从 ICMP 报头和数据部分计算得来的，用于检查错误的数据；
ID	ID 值，在 Echo Reply 类型的消息中要返回这个字段；
Sequence	这个字段包含一个序号，在 Echo Reply 类型的消息中要返回这个字段。

ICMP 报文类型

常用报文类型如下：

对于 Ping 程序而言是会发送一个回显请求(类型 8 编码 0)报文给目的主机，目的主机收到之后就发送回显应答(类型 0 编码 0)报文进行回显。TTL 报文(类型 11 编码 0)是在 Traceroute 程序中，路由器检查到 Traceroute 发出的 IP 数据报中 TTL 正好过期，因此路由器就需要丢包并且发送该警告报文返回源主机。源主机就可以得到路由器的 IP 地址，以此达到路由追踪的目的。

原始套接字

原始套接字是允许访问底层传输协议的一种套接字类型，可以直接从应用层将数据送到网络层，在网络层对协议进行解析，起到一种“隔山打牛”的作用。原始套接字有两种类型，第一种类型是在 IP 头中使用预定义的协议，例如 ICMP，第二种类型是在 IP 头中使用自定义的协议。原始套接字提供管理下层传输的能力，它们可能会被恶意利用，因此为了保证安全性仅 Administrator 组的成员能够创建 SOCK_RAW 类型的套接字。
创建原始套接字的函数也是 socket 或者WSASocket，要将套接字类型指定为SOCK_RAW，第 3 个参数 protocol 的值将成为 IP 头中协议域的值。也就是说如果创建原始套接字时，IPPROTO_ICMP 指定要使用 ICMP 协议。

SOCKET sRaw = ::Socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

协议类型可以使用 ICMP，也可以使用 IGMP、UDP、IP，对应的宏定义分别是 IPPROTO_IGMP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_IP或IPPROTO_RAW，其中协议标志 IPPROTO_UDP、IPPROTO_IP和IPPROTO_RAW 需要有效 IP_HDRINCL 选项。使用恰当的协议标志创建原始套接字之后，便可以在发送和接收调用中使用此套接字句柄了。

ping 程序编写

Ping 经常用来确定特定的主机是否存在，是否可以到达。通过产生一个 ICMP 回显请求发送给目的主机，根据应答的报文情况，便可以确定是否可以成功到达那个机器。

ICMP 头结构

初始化 ICMP 头时先初始化消息类型和代码域，之后回显请求头，然后编写校验和的计算方法。发送ICMP报文时，必须由程序自己计算校验和，将它填入 ICMP 头部对应的域中。校验和的计算方法是：将数据以字为单位累加到一个双字中，如果数据长度为奇数，最后一个字节将被扩展到字，累加的结果是一个双字，最后将这个双字的高 16 位和低 16 位相加后取反，便得到了校验和。

#include "initsock.h"

#include <iostream>
using namespace std;

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库

typedef struct icmp_hdr
{
    unsigned char   icmp_type;      // 消息类型
    unsigned char   icmp_code;      // 代码
    unsigned short  icmp_checksum;  // 校验和
    // 下面是回显头
    unsigned short  icmp_id;        // 用来惟一标识此请求的ID号，通常设置为进程ID
    unsigned short  icmp_sequence;  // 序列号
    unsigned long   icmp_timestamp; // 时间戳
} ICMP_HDR, * PICMP_HDR;

USHORT checksum(USHORT* buff, int size)
{
    unsigned long cksum = 0;
    //将数据以字为单位累加到 cksum 中
    while (size > 1)
    {
        cksum += *buff++;
        size -= sizeof(USHORT);
    }
    // 如果为奇数，将最后一个字节扩展到双字，再累加到cksum中
    if (size)
    {
        cksum += *(UCHAR*)buff;
    }
    // 将 32 位的 chsum 高 16 位和低 16 位相加，然后取反
    cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
    cksum += (cksum >> 16);    //进位处理
    return (USHORT)(~cksum);
}

initsock.h

#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 链接到 WS2_32.lib

class CInitSock
{
public:
    /*CInitSock 的构造器*/
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)
    {
        // 初始化WS2_32.dll
        WSADATA wsaData;
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);
        if (::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)
        {
            exit(0);
        }
    }

    /*CInitSock 的析构器*/
    ~CInitSock()
    {
        ::WSACleanup();
    }
};

主函数

Ping 的编写步骤如下：

创建协议类型为 IPPROTO_ICMP 的原始套接字，设置套接字的属性；
创建并初始化 ICMP 封包；
调用 sendto 函数向远程主机发送ICMP请求；
调用 recvfrom 函数接收ICMP响应。

int main()
{
    // 目的IP地址，即要Ping的IP地址
    char szDestIp[] = "36.152.44.96";

    // 创建原始套节字
    SOCKET sRaw = ::socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

    // 设置目的地址
    SOCKADDR_IN dest;
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_port = htons(0);
    dest.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(szDestIp);

    // 创建ICMP封包
    char buff[sizeof(ICMP_HDR) + 32];
    ICMP_HDR* pIcmp = (ICMP_HDR*)buff;
    // 填写ICMP封包数据
    pIcmp->icmp_type = 8;   // 请求一个ICMP回显
    pIcmp->icmp_code = 0;
    pIcmp->icmp_id = (USHORT)::GetCurrentProcessId();
    pIcmp->icmp_checksum = 0;
    pIcmp->icmp_sequence = 0;
    // 填充数据部分，可以为任意
    memset(&buff[sizeof(ICMP_HDR)], 'E', 32);

    // 开始发送和接收ICMP封包
    USHORT  nSeq = 0;
    char recvBuf[1024];
    SOCKADDR_IN from;
    int nLen = sizeof(from);
    while (TRUE)
    {
        static int nCount = 0;
        int nRet;
        if (nCount++ == 4) {
            break;
        }
        pIcmp->icmp_checksum = 0;
        pIcmp->icmp_timestamp = ::GetTickCount();
        pIcmp->icmp_sequence = nSeq++;
        pIcmp->icmp_checksum = checksum((USHORT*)buff, sizeof(ICMP_HDR) + 32);
        nRet = ::sendto(sRaw, buff, sizeof(ICMP_HDR) + 32, 0, (SOCKADDR*)&dest, sizeof(dest));
        if (nRet == SOCKET_ERROR)
        {
            cout << " sendto() failed: " << ::WSAGetLastError() << endl;
            return -1;
        }
        nRet = ::recvfrom(sRaw, recvBuf, 1024, 0, (sockaddr*)&from, &nLen);
        if (nRet == SOCKET_ERROR)
        {
            if (::WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT)
            {
                cout << " timed out" << endl;
                continue;
            }
            cout << " recvfrom() failed: " << ::WSAGetLastError() << endl;
            return -1;
        }

        // 下面开始解析接收到的ICMP封包
        int nTick = ::GetTickCount();
        if (nRet < sizeof(IPHeader) + sizeof(ICMP_HDR))
        {
            cout << " Too few bytes from %s" << ::inet_ntoa(from.sin_addr) << endl;
        }
        // 接收到的数据中包含IP头，IP头大小为20个字节，所以加20得到ICMP头
        ICMP_HDR* pRecvIcmp = (ICMP_HDR*)(recvBuf + sizeof(IPHeader));
        if (pRecvIcmp->icmp_type != 0)   // 回显
        {
            cout << " nonecho type " << pRecvIcmp->icmp_type << " recvd" << endl;
            return -1;
        }

        if (pRecvIcmp->icmp_id != ::GetCurrentProcessId())
        {
            cout << " someone else's packet!" << endl;
            return -1;
        }

        cout << nRet << " bytes from " << inet_ntoa(from.sin_addr) 
            << " icmp_seq = " << pRecvIcmp->icmp_sequence << "." 
            << " time: " << nTick - pRecvIcmp->icmp_timestamp << "ms" << endl;

        ::Sleep(1000);
    }

    return 0;
}

运行效果

参考资料

《Windows 网络与通信编程》，陈香凝王烨阳陈婷婷张铮编著，人民邮电出版社

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