通信編程：基於 ICMP 編寫 ping 程序

目錄

• ICMP 協議
  • 因特網控制報文協議
  • ICMP 報文格式
  • ICMP 報文類型
• 原始套接字
• ping 程序編寫
  • ICMP 頭結構
  • initsock.h
  • 主函數
  • 運行效果
• 參考資料

ICMP 協議

因特網控制報文協議

ICMP，即因特網控制報文協議，在主機和路由器之間起到溝通網絡層信息的作用。最典型的用途就是差錯報告，它允許主機或路由器報告查錯情況和提交有關異常情況的報告。例如網絡通不通、主機是否可達、路由是否可用等網絡本身的消息，這些控制消息雖對於數據的傳遞起着重要的作用。ICMP 報文作為 IP 有效載荷承載的，因此雖然 ICMP 被認為是 IP 的一部分，但在體系結構上 ICMP 位於 IP 之上。當主機接收到指明上層協議為 ICMP 的 IP 數據報時，該數據報分解的內容應當交給 ICMP。

ICMP 報文格式

ICMP 報文包括 IP 頭部、ICMP 頭部和 ICMP 報文 3 個部分，ICMP 報文是作為 IP 有效載荷承載的。

字段	說明
Type	ICMP 的類型,標識生成的錯誤報文；
Code	進一步划分 ICMP 的類型,該字段用來查找產生錯誤的原因；
Checksum	校驗碼，字段包含有從 ICMP 報頭和數據部分計算得來的，用於檢查錯誤的數據；
ID	ID 值，在 Echo Reply 類型的消息中要返回這個字段；
Sequence	這個字段包含一個序號，在 Echo Reply 類型的消息中要返回這個字段。

ICMP 報文類型

常用報文類型如下：

對於 Ping 程序而言是會發送一個回顯請求(類型 8 編碼 0)報文給目的主機，目的主機收到之后就發送回顯應答(類型 0 編碼 0)報文進行回顯。TTL 報文(類型 11 編碼 0)是在 Traceroute 程序中，路由器檢查到 Traceroute 發出的 IP 數據報中 TTL 正好過期，因此路由器就需要丟包並且發送該警告報文返回源主機。源主機就可以得到路由器的 IP 地址，以此達到路由追蹤的目的。

原始套接字

原始套接字是允許訪問底層傳輸協議的一種套接字類型，可以直接從應用層將數據送到網絡層，在網絡層對協議進行解析，起到一種“隔山打牛”的作用。原始套接字有兩種類型，第一種類型是在 IP 頭中使用預定義的協議，例如 ICMP，第二種類型是在 IP 頭中使用自定義的協議。原始套接字提供管理下層傳輸的能力，它們可能會被惡意利用，因此為了保證安全性僅 Administrator 組的成員能夠創建 SOCK_RAW 類型的套接字。
創建原始套接字的函數也是 socket 或者WSASocket，要將套接字類型指定為SOCK_RAW，第 3 個參數 protocol 的值將成為 IP 頭中協議域的值。也就是說如果創建原始套接字時，IPPROTO_ICMP 指定要使用 ICMP 協議。

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

協議類型可以使用 ICMP，也可以使用 IGMP、UDP、IP，對應的宏定義分別是 IPPROTO_IGMP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_IP或IPPROTO_RAW，其中協議標志 IPPROTO_UDP、IPPROTO_IP和IPPROTO_RAW 需要有效 IP_HDRINCL 選項。使用恰當的協議標志創建原始套接字之后，便可以在發送和接收調用中使用此套接字句柄了。

ping 程序編寫

Ping 經常用來確定特定的主機是否存在，是否可以到達。通過產生一個 ICMP 回顯請求發送給目的主機，根據應答的報文情況，便可以確定是否可以成功到達那個機器。

ICMP 頭結構

初始化 ICMP 頭時先初始化消息類型和代碼域，之后回顯請求頭，然后編寫校驗和的計算方法。發送ICMP報文時，必須由程序自己計算校驗和，將它填入 ICMP 頭部對應的域中。校驗和的計算方法是：將數據以字為單位累加到一個雙字中，如果數據長度為奇數，最后一個字節將被擴展到字，累加的結果是一個雙字，最后將這個雙字的高 16 位和低 16 位相加后取反，便得到了校驗和。

#include "initsock.h"

#include <iostream>
using namespace std;

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock庫

typedef struct icmp_hdr
{
    unsigned char   icmp_type;      // 消息類型
    unsigned char   icmp_code;      // 代碼
    unsigned short  icmp_checksum;  // 校驗和
    // 下面是回顯頭
    unsigned short  icmp_id;        // 用來惟一標識此請求的ID號，通常設置為進程ID
    unsigned short  icmp_sequence;  // 序列號
    unsigned long   icmp_timestamp; // 時間戳
} ICMP_HDR, * PICMP_HDR;

USHORT checksum(USHORT* buff, int size)
{
    unsigned long cksum = 0;
    //將數據以字為單位累加到 cksum 中
    while (size > 1)
    {
        cksum += *buff++;
        size -= sizeof(USHORT);
    }
    // 如果為奇數，將最后一個字節擴展到雙字，再累加到cksum中
    if (size)
    {
        cksum += *(UCHAR*)buff;
    }
    // 將 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);    //進位處理
    return (USHORT)(~cksum);
}

initsock.h

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

class CInitSock
{
public:
    /*CInitSock 的構造器*/
    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 的析構器*/
    ~CInitSock()
    {
        ::WSACleanup();
    }
};

主函數

Ping 的編寫步驟如下：

1. 創建協議類型為 IPPROTO_ICMP 的原始套接字，設置套接字的屬性；
2. 創建並初始化 ICMP 封包；
3. 調用 sendto 函數向遠程主機發送ICMP請求；
4. 調用 recvfrom 函數接收ICMP響應。

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

    // 創建原始套節字
    SOCKET sRaw = ::socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

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

    // 創建ICMP封包
    char buff[sizeof(ICMP_HDR) + 32];
    ICMP_HDR* pIcmp = (ICMP_HDR*)buff;
    // 填寫ICMP封包數據
    pIcmp->icmp_type = 8;   // 請求一個ICMP回顯
    pIcmp->icmp_code = 0;
    pIcmp->icmp_id = (USHORT)::GetCurrentProcessId();
    pIcmp->icmp_checksum = 0;
    pIcmp->icmp_sequence = 0;
    // 填充數據部分，可以為任意
    memset(&buff[sizeof(ICMP_HDR)], 'E', 32);

    // 開始發送和接收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;
        }

        // 下面開始解析接收到的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;
        }
        // 接收到的數據中包含IP頭，IP頭大小為20個字節，所以加20得到ICMP頭
        ICMP_HDR* pRecvIcmp = (ICMP_HDR*)(recvBuf + sizeof(IPHeader));
        if (pRecvIcmp->icmp_type != 0)   // 回顯
        {
            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;
}

運行效果

參考資料

《Windows 網絡與通信編程》，陳香凝 王燁陽 陳婷婷 張錚 編著，人民郵電出版社