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在Linux上用C++实现Ping |
2019-09-29 14:08:08 -0700 |
首先我们在terminal上使用ping命令并用wireshark软件抓包，看看实现ping命令需要那些协议，以及ping的数据包由那些内容构成。
用wireshark抓包后,发现ping命令发送的请求报文和收到的应答报文都是ICMP(Internet Control Message Protocol)网际控制报文协议。我们再仔细解析请求报文和应答报文：
发现ICMP报文是装在IP数据报中的，并且ICMP报文具有以下字段：Type（8位）、Code（8位）、Cheksum（16位）、Identifier（16位）、Sequence（16位）、Timestamp（8位）、Data。 结合以上对ping命令的分析，我们可以想到，实现ping命令，需要用到ICMP协议的相关内容。想要实现对IMCP报文自定义构建，我们还需要用到SOCK_RAW原始套接字的相关内容。在Linux上申请原始套接字需要root权限，但是ping命令可以被普通用户正常运行，因此我们还需要用到在Linux上以普通用户运行特权指令的相关内容（在Linux上以普通用户运行特权指令在我的上一篇博客有详细的说明，本文不在赘述）。此外，我们可以观察到ping命令是通过捕获Ctrl+C指令后才结束的，但是在结束之前，还对整个发送接收情况做了总结，因此，实现Ping命令还需要用到Linux上的信号机制。
IMCP协议用于在IP主机、路由器之间传递控制消息，允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。ICMP协议不是高层协议（看起来好像是高层协议，因为ICMP报文是装在IP数据报中，作为其中的数据部分），而是IP层的协议。ICMP报文作为IP层数据报的数据，加上数据报的首部，组成IP数据报发送出去。ICMP报文格式如下图所示：
在谢希仁编著的第7版计算机网络教材中，ICMP报文的格式与上图相同，但是从上文的抓包情况来看，真正的ICMP报文在16位序列号数据之后，Data数据之前还加入了8位的时间戳数据。
仔细对比上文对请求报文和应答报文的抓包数据，发现除了ICMP报文的序列号(seq)因包而异以外，Type字段也不相同。查阅文献后知道ICMP报文类型是根据Type字段和Code字段的组合来确定的。Type = 0，Code = 0代表回送请求(Echo Request)，Type = 8，Code = 0代表回送应答(Echo Reply)，分别对应ping命令的请求报文和应答报文。
对于ICMP报文的校验和(Checksum)字段的计算，只需要以下几个步骤:
- 将校验和字段置零。
- 将每两个字节（16位）相加（二进制求和）直到最后得出结果，若出现最后还剩一个字节继续与前面结果相加。
- (溢出)将高16位与低16位相加，直到高16位为0为止。
- 将最后的结果（二进制）取反。
用C/C++对ICMP报文数据的构造，可以直接利用
ip_icmp.h头文件中有关ICMP报文的内容进行构造。struct icmp结构如下：
struct icmp
{
uint8_t icmp_type; /* type of message, see below */
uint8_t icmp_code; /* type sub code */
uint16_t icmp_cksum; /* ones complement checksum of struct */
union
{
unsigned char ih_pptr; /* ICMP_PARAMPROB */
struct in_addr ih_gwaddr; /* gateway address */
struct ih_idseq /* echo datagram */
{
uint16_t icd_id;
uint16_t icd_seq;
} ih_idseq;
uint32_t ih_void;
/* ICMP_UNREACH_NEEDFRAG -- Path MTU Discovery (RFC1191) */
struct ih_pmtu
{
uint16_t ipm_void;
uint16_t ipm_nextmtu;
} ih_pmtu;
struct ih_rtradv
{
uint8_t irt_num_addrs;
uint8_t irt_wpa;
uint16_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
{
uint32_t its_otime;
uint32_t its_rtime;
uint32_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;
uint32_t id_mask;
uint8_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
};
上述结构体中我们只需要关注icmp_type、icmp_code、icmp_cksum、icmp_seq、icmp_id、icmp_data字段即可。我们可以直接在内存中利用指针对icmp结构体的指针指向数据块进行构造，以达到对整个IMCP报文的构建。例如：
icmp_pointer->icmp_type = ICMP_ECHO;
icmp_pointer->icmp_code = 0;
icmp_pointer->icmp_cksum = 0; //计算校验和之前先要将校验位置零
icmp_pointer->icmp_seq = send_pack_num + 1; //用send_pack_num作为ICMP包序列号
icmp_pointer->icmp_id = getpid(); //用进程号作为ICMP包标志
在ping命令中，我们使用recvfrom()函数接收到的回应报文是IP数据报，并且我们需要用到以下字段：
- IP报头长度IHL（Internet Header Length）以４字节为一个单位来记录IP报头的长度，是上述IP数据结构的ip_hl变量。
- 生存时间TTL（Time To Live）以秒为单位，指出IP数据报能在网络上停留的最长时间，其值由发送方设定，并在经过路由的每一个节点时减一，当该值为０时，数据报将被丢弃，是上述IP数据结构的ip_ttl变量。
使用方法与上述ICMP报文结构体使用方法一致，这里给出
struct ip的定义，不在过多说明：
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
uint8_t ip_tos; /* type of service */
unsigned short ip_len; /* total length */
unsigned short ip_id; /* identification */
unsigned 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 */
uint8_t ip_ttl; /* time to live */
uint8_t ip_p; /* protocol */
unsigned short ip_sum; /* checksum */
struct in_addr ip_src, ip_dst; /* source and dest address */
};
实际上，我们常用的网络编程都是在应用层的手法操作，也就是大多数程序员接触到的流式套接字(SOCK_STREAM)和数据包式套接字(SOCK_DGRAM)。而这些数据包都是由系统提供的协议栈实现，用户只需要填充应用层报文即可，由系统完成底层报文头的填充并发送。然而Ping命令的实现中需要执行更底层的操作，这个时候就需要使用原始套接字(SOCK_RAW)来实现。 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。原始套接字可以实现普通套接字无法处理ICMP、IGMP等网络报文，原始套接字也可以处理特殊的IPv4报文，此外，利用原始套接字，可以通过IP_HDRINCL套接字选项由用户构造IP头。总体来说，原始套接字可以处理普通的网络报文之外，还可以处理一些特殊协议报文以及操作IP层及其以上的数据。 创建原始套接字的方法如下：
socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol);
这里的重点在于protocol字段，使用原始套接字之后，这个字段就不能简单的置零了。在头文件netinet/in.h中定义了系统中该字段目前能取的值，注意：有些系统中不一定实现了netinet/in.h中的所有协议。源代码的linux/in.h中和netinet/in.h中的内容一样。我们常见的有IPPROTO_TCP，IPPROTO_UDP和IPPROTO_ICMP。我们可以通过一下方法创建需要的ICMP协议的原始套接字：
struct protoent * protocol; //获取协议用
//通过协议名称获取协议编号
if((protocol = getprotobyname("icmp")) == NULL){
fprintf(stderr, "Get protocol error:%s \n\a", strerror(errno));
exit(1);
}
//创建原始套接字，这里需要root权限，申请完成之后应该降权处理
if((sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, protocol->p_proto)) == -1){
fprintf(stderr, "Greate RAW socket error:%s \n\a", strerror(errno));
exit(1);
}
//降权处理，使该进程的EUID，SUID的值变成RUID的值
setuid(getuid());
用这种方式我就可以得到原始的IP包了，然后就可以自定义IP所承载的具体协议类型，如TCP，UDP或ICMP，并手动对每种承载在IP协议之上的报文进行填充。
在Linux C/C++程序中，如果程序一直以死循环的状态运行，以Ctrl+C结束，并且希望在结束时输出一些统计数据帮助用户分析，我们就需要用到信号处理机制。通过捕获到的需要的信号后，执行信号处理函数。为此我们需要用到sigaction（）函数，该函数的的功能是检查或修改与制定信号相关联的处理动作，其原型为：
int sigaction(int signum, const struct sigaction *act, struct sigaction *oldact);
signum参数用于指定需要捕获的型号类型，act参数指定新的型号处理方式，oldact参数输出先前型号的处理方式（如果不为NULL的话）。这个函数的关键在于对struct sigaction结构体的设置，我们首先找到该结构体的定义：
struct sigaction
{
/* Signal handler. */
#if defined __USE_POSIX199309 || defined __USE_XOPEN_EXTENDED
union
{
/* Used if SA_SIGINFO is not set. */
__sighandler_t sa_handler;
/* Used if SA_SIGINFO is set. */
void (*sa_sigaction) (int, siginfo_t *, void *);
}
__sigaction_handler;
# define sa_handler __sigaction_handler.sa_handler
# define sa_sigaction __sigaction_handler.sa_sigaction
#else
__sighandler_t sa_handler;
#endif
/* Additional set of signals to be blocked. */
__sigset_t sa_mask;
/* Special flags. */
int sa_flags;
/* Restore handler. */
void (*sa_restorer) (void);
};
注意到有如下几个字段：
- sa_handler 与 sa_sigaction这两个字段为联合体，因此只能同时设置一个，这两个字段的作用都是用来存储信号处理函数的指针，但是sa_sigaction作为信号处理函数，可以传入自定义的参数，而sa_handler不行
- sa_mask用来设置在处理该信号时暂时将sa_mask 指定的信号集搁置
- sa_flags用来设置信号处理的其他相关操作，有下列数值可用，用OR运算组合： A_NOCLDSTOP:如果参数signum为SIGCHLD，则当子进程暂停时并不会通知父进程 SA_ONESHOT/SA_RESETHAND:当调用新的信号处理函数前，将此信号处理方式改为系统预设的方式 SA_RESTART:被信号中断的系统调用会自行重启 SA_NOMASK/SA_NODEFER:在处理此信号未结束前不理会此信号的再次到来 SA_SIGINFO：信号处理函数是带有三个参数的sa_sigaction 因此，实现ping命令过程中，对Ctrl+C的捕获及处理的具体实现方法如下：
void SingnalHandler(int signo) { //信号处理函数
//处理过程
...
exit(0);
}
int main(int argc, char * argv[]) {
struct sigaction action; //sigaction结构体
action.sa_handler = SingnalHandler;
sigemptyset(&action.sa_mask);
action.sa_flags = 0;
sigaction(SIGINT,&action,NULL); //SIGINT = 2捕获Ctrl+C
while(1)
{
//死循环
...
sleep(1);
}
}
cmake .
sudo make
sudo chmod u+s MyPing
./MyPing www.baidu.com
参考文献：
https://blog.csdn.net/zhaorenjie93/article/details/72859715 https://www.cnblogs.com/aspirant/p/4084127.html http://abcdxyzk.github.io/blog/2015/04/14/kernel-net-sock-raw/ https://blog.csdn.net/zhj082/article/details/80518322 https://blog.csdn.net/yzy1103203312/article/details/79799197