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扯談網絡編程之自己實現ping

ping是基於ICMP（Internet Control Message Protocol）協議實現的，而ICMP協議是在IP層實現的。

ping實際上是發起者發送一個Echo Request(type = 8)的，遠程主機回應一個Echo Reply(type = 0)的過程。

為什麼用ping不能測試某一個端口

剛開始接觸網絡的時候，可能很多人都有疑問，怎麼用ping來測試遠程主機的某個特定端口？

其實如果看下ICMP協議，就可以發現ICMP裏根本沒有端口這個概念，也就根本無法實現測試某一個端口了。

ICMP協議的包格式（來自wiki）：

Ping如何計算請問耗時

在ping命令的輸出上，可以看到有顯示請求的耗時，那麼這個耗時是怎麼得到的呢？

64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=6.28 ms

從Echo Request的格式裏，看到不時間相關的東東，但是因為是Echo，即遠程主機會原樣返回Data數據，所以Ping的發起方把時間放到了Data數據裏，當得到Echo Reply裏，取到發送時間，再和當前時間比較，就可以得到耗時了。當然，還有其它的思路，比如記錄每一個包的發送時間，當得到返回時，再計算得到時間差，但顯然這樣的實現太複雜了。

Ping如何區分不同的進程？

我們都知道本機IP，遠程IP，本機端口，遠程端口，四個元素才可以確定唯的一個信道。而ICMP裏沒有端口，那麼一個ping程序如何知道哪些包才是發給自己的？或者說操作係統如何區別哪個Echo Reply是要發給哪個進程的？

實際上操作係統不能區別，所有的本機IP，遠程IP相同的ICMP程序都可以接收到同一份數據。

程序自己要根據Identifier來區分到底一個ICMP包是不是發給自己的。在Linux下，Ping發出去的Echo Request包裏Identifier就是進程pid，遠程主機會返回一個Identifier相同的Echo Reply包。

可以接下麵的方法簡單驗證：

啟動係統自帶的ping程序，查看其pid。

設定自己實現的ping程序的identifier為上麵得到的pid，然後發Echo Request包。

可以發現係統ping程序會接收到遠程主機的回應。

自己實現ping

自己實現ping要用到rawsocket，在linux下需要root權限。網上有很多實現的程序，但是有很多地方不太對的。自己總結實現了一個（最好用g++編繹）：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <netinet/ip.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/time.h>

unsigned short csum(unsigned short *ptr, int nbytes) {
	register long sum;
	unsigned short oddbyte;
	register short answer;

	sum = 0;
	while (nbytes > 1) {
		sum += *ptr++;
		nbytes -= 2;
	}
	if (nbytes == 1) {
		oddbyte = 0;
		*((u_char*) &oddbyte) = *(u_char*) ptr;
		sum += oddbyte;
	}

	sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
	sum = sum + (sum >> 16);
	answer = (short) ~sum;

	return (answer);
}

inline double countMs(timeval before, timeval after){
	return (after.tv_sec - before.tv_sec)*1000 + (after.tv_usec - before.tv_usec)/1000.0;
}

#pragma pack(1)
struct EchoPacket {
	u_int8_t type;
	u_int8_t code;
	u_int16_t checksum;
	u_int16_t identifier;
	u_int16_t sequence;
	timeval timestamp;
	char data[40];   //sizeof(EchoPacket) == 64
};
#pragma pack()

void ping(in_addr_t source, in_addr_t destination) {
	static int sequence = 1;
	static int pid = getpid();
	static int ipId = 0;

	char sendBuf[sizeof(iphdr) + sizeof(EchoPacket)] = { 0 };

	struct iphdr* ipHeader = (iphdr*)sendBuf;
	ipHeader->version = 4;
	ipHeader->ihl = 5;

	ipHeader->tos = 0;
	ipHeader->tot_len = htons(sizeof(sendBuf));

	ipHeader->id = htons(ipId++);
	ipHeader->frag_off = htons(0x4000);  //set Flags: don't fragment

	ipHeader->ttl = 64;
	ipHeader->protocol = IPPROTO_ICMP;
	ipHeader->check = 0;
	ipHeader->saddr = source;
	ipHeader->daddr = destination;

	ipHeader->check = csum((unsigned short*)ipHeader, ipHeader->ihl * 2);

	EchoPacket* echoRequest = (EchoPacket*)(sendBuf + sizeof(iphdr));
	echoRequest->type = 8;
	echoRequest->code = 0;
	echoRequest->checksum = 0;
	echoRequest->identifier = htons(pid);
	echoRequest->sequence = htons(sequence++);
	gettimeofday(&(echoRequest->timestamp), NULL);
	u_int16_t ccsum = csum((unsigned short*)echoRequest, sizeof(sendBuf) - sizeof(iphdr));

	echoRequest->checksum = ccsum;

	struct sockaddr_in sin;
	sin.sin_family = AF_INET;
	sin.sin_port = htons(0);
	sin.sin_addr.s_addr = destination;

	int s = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
	if (s == -1) {
		perror("socket");
		return;
	}

	//IP_HDRINCL to tell the kernel that headers are included in the packet
	if (setsockopt(s, IPPROTO_IP, IP_HDRINCL, "1",sizeof("1")) < 0) {
		perror("Error setting IP_HDRINCL");
		exit(0);
	}

	sendto(s, sendBuf, sizeof(sendBuf), 0, (struct sockaddr *) &sin, sizeof(sin));

	char responseBuf[sizeof(iphdr) + sizeof(EchoPacket)] = {0};

	struct sockaddr_in receiveAddress;
	socklen_t len = sizeof(receiveAddress);
	int reveiveSize = recvfrom(s, (void*)responseBuf, sizeof(responseBuf), 0, (struct sockaddr *) &receiveAddress, &len);

	if(reveiveSize == sizeof(responseBuf)){
		EchoPacket* echoResponse = (EchoPacket*) (responseBuf + sizeof(iphdr));
		//TODO check identifier == pid ?
		if(echoResponse->type == 0){
			struct timeval tv;
			gettimeofday(&tv, NULL);

			in_addr tempAddr;
			tempAddr.s_addr = destination;
			printf("%d bytes from %s : icmp_seq=%d ttl=%d time=%.2f ms\n",
					sizeof(EchoPacket),
					inet_ntoa(tempAddr),
					ntohs(echoResponse->sequence),
					((iphdr*)responseBuf)->ttl,
					countMs(echoResponse->timestamp, tv));
		}else{
			printf("response error, type:%d\n", echoResponse->type);
		}
	}else{
		printf("error, response size != request size.\n");
	}

	close(s);
}

int main(void) {
	in_addr_t source = inet_addr("192.168.1.100");
	in_addr_t destination = inet_addr("192.168.1.1");
	for(;;){
		ping(source, destination);
		sleep(1);
	}

	return 0;
}

安全相關的一些東東：

死亡之Ping  https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%AD%BB%E4%BA%A1%E4%B9%8BPing

盡管是很老的漏洞，但是也可以看出協議棧的實現也不是那麼的靠譜。

Ping flood   https://en.wikipedia.org/wiki/Ping_flood

服務器關閉ping服務，默認是0,是開啟：
echo 1 > /proc/sys/net/ipv4/icmp_echo_ignore_all

總結：

在自己實現的過程中，發現有一些蛋疼的地方，如

協議文檔不夠清晰，得反複對照；

有時候一個小地方處理不對，很難查bug，即使程序能正常工作，但也並不代表它是正確的；

用wireshark可以很方便驗證自己寫的程序有沒有問題。

參考：

https://en.wikipedia.org/wiki/Ping_(networking_utility)

https://en.wikipedia.org/wiki/ICMP_Destination_Unreachable

https://tools.ietf.org/pdf/rfc792.pdf

最後更新：2017-04-03 12:56:30

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