前言
ping命令，因为其简单、易用等特点，几乎所有的操作系统都内置了一个ping命令。如果你是一名C++初学者，对网络编程、系统编程有所了解，但又没有多少实操经验的话，不妨来尝试动手实现一个属于自己的ping命令。这样一来，也能提高你对系统编程、网络编程的能力。
ICMP
概念
ICMP是工作在网络层的一种不可靠的传输协议，意在辅助IP协议获取报文传输与网络连接的情况，被广泛运用于网络诊断工具（如：ping 和 traceroute）。
ICMP协议可以控制路由将报文错误原因返回给源主机，从而实现对网络状况的诊断。
报文格式
ICMP协议被封装在IP协议之中，以下为ICMP的报文固定格式：
-
类型：用于标识报文的类型，ICMP报文类型分为两类：信息类报文、差错类报文。
-
代码：用于标识差错类报文的具体错误信息。
-
校验和：用于计算报文是否出现损坏（发送方填写，接收方校验）。
「ICMP常见消息类型」
| ICMP 类型 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 回显应答（Echo Reply）：对回显请求的响应，通常用于ping操作。 |
| 3 | 目的不可达（Destination Unreachable）：目标地址无法到达时发送，包括网络不可达、主机不可达等子类型。 |
| 4 | 源抑制（Source Quench）：请求发送方降低发送速率，以防止网络拥塞（现已弃用）。 |
| 5 | 重定向（Redirect）：建议主机将数据包发送到不同的路由器，提供更优路径。 |
| 8 | 回显请求（Echo Request）：请求目标主机返回应答消息，通常用于ping操作。 |
| 11 | 超时（Time Exceeded）：数据包在网络中传输时间超过TTL值，或在分片重组过程中超时。 |
| 12 | 参数问题（Parameter Problem）：数据包的IP头部存在错误，导致无法处理。 |
「Linux中的实现」
Linux中ICMP报文格式有不少成员，但只是实现ping服务只需要以下成员：
-
icmp_type：icmp报文的类型。
-
icmp_cksum：校验和，用于计算数据是否损坏。
-
icmp_id：用于标识报文的唯一性。
-
icmp_seq：序列号字段，多用于echo、echoreply功能。
-
icmp_data ：报文的内容，只有8bit大小
「Linux中ICMP报文的描述」
cpp
/*Linux中icmp的有较多成员变量，嫌麻烦可以看#define部分来认识主要成员变量*/
struct icmp
{
uint8_t icmp_type; /* icmp类型; type of message, see below */
uint8_t icmp_code; /* type sub code */
uint16_t icmp_cksum; /*校验和，用于确定报文是否完整无损*/
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 //存储时间戳
{
uint32_t its_otime; // 原始时间戳，发送时的时间
uint32_t its_rtime; // 接受时间戳，接受时的时间
uint32_t its_ttime; // 传输时间戳，传输所用时间
} 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
};Ping服务实现
系统调用函数
原始套接字
要使用ICMP协议就必须绕过传输层(TCP/UDP)，直接操作网络层，所以必须使用原始套接字，在Mac、Linux中使用原始套接字可能会需要root权限。
cpp
//函数原型
int socket(int domain, int type, int protocol);
int _sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP); //使用原始套接字信号转换
在Linux中的ping服务一般通过ctl+c来实现终止，所以得要将信号执行函数替换成自己的函数。
cpp
//函数原型
void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);
//使用方式
signal(SIGINT, [](int sig)
{
printf("sig:%d", sig);
} );「域名转换为IP地址」
在Linux中将域名转成ip地址的函数有gethostbyname，但其在新版本的linux中已经被废弃，所以这里使用较新的getaddrinfo。
cpp
/*通过getaddrinfo获取的数据将存进该结构体*/
struct addrinfo {
int ai_flags;
int ai_family; //协议族
int ai_socktype;
int ai_protocol;
socklen_t ai_addrlen; // sockaddr 的长度
struct sockaddr *ai_addr; // 根据需求转换成sockaddr_in
char *ai_canonname;
struct addrinfo *ai_next; //下一个addrinfo，使用链表来连接匹配的IP。
};
int getaddrinfo(const char *restrict node, //需要转换的域名
const char *restrict service, //DNS服务器地址，可为空
const struct addrinfo *restrict hints, //用于限定获取的数据
struct addrinfo **restrict res); //结果存放的指针具体实现
ping服务的实现使用了类来进行封装，从而使得其更简洁易懂。
头文件声明
cpp
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <string>
#include <iostream>
#include <format>
#include <thread>
class PingServer
{
public:
PingServer(const char* ip);
void Start();
static void TimeEnd(); // ping计算总结，ctrl+c调用。
private:
void Init(); // 初始化类
void SendData(); //发送数据
void RecvData(); //接受数据
unsigned short CheckSum(void* data, int len); //计算校验和
private:
static std::chrono::system_clock::time_point _oldTime; //计算ping服务运行时间
static int _sendSeq; //发送数据次数
static int _recvSeq; //接受数据次数
struct sockaddr_in _destAddr; //远端地址信息
const char* _ip; //需要ping的ip/hostname;
char _recvData[1024]; //接受数据缓冲区
int _sockfd; //套接字
unsigned short _id; //用于标识ip报文唯一性。
};
//初始化静态成员
std::chrono::system_clock::time_point PingServer::_oldTime = std::chrono::system_clock::now();
int PingServer::_sendSeq = 0;
int PingServer::_recvSeq = 0;介绍完类的成员，也该到其实现了⬇️。
cpp
#include <netdb.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <string>
#include <iostream>
#include <format>
#include <future>
#include <thread>
//TODO chrono时钟实现超时
class PingServer
{
public:
PingServer(const char* ip)
:_ip(ip), _id(htons(getpid()))
{
Init();
}
void Start()
{
std::thread(&PingServer::SendData, this).detach();
RecvData();
}
static void TimeEnd()
{
auto now = std::chrono::system_clock::now();
auto sum = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(now-_oldTime).count();
int loss = ((double)(_sendSeq - _recvSeq) / _sendSeq) * 100;
std::cout << std::format("\n{} packets transimitted, {} received, {}% packet loss, time {}ms", _sendSeq, _recvSeq, loss, sum) << std::endl;
}
private:
void Init()
{
_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP); //使用原始套接字
if(_sockfd < 0)
{
std::cerr << "socket error" << std::endl;
exit(-1);
}
struct addrinfo hints{}, *res{};
hints.ai_family = AF_INET; //限定获取IP为IPV4
if(getaddrinfo(_ip, nullptr, &hints, &res) != 0) //正确返回0
{
std::cerr << "hostname error" << std::endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
sockaddr_in* ipv4 = (sockaddr_in*)res->ai_addr; //转换成sockaddr_in结构 sockaddr->sockaddr_in
memcpy(&_destAddr, ipv4, sizeof(sockaddr_in));
}
void SendData()
{
while (1)
{
//装包
struct icmp icmphdr{}; //需要发送的ICMP报文
icmphdr.icmp_seq = ++_sendSeq;
icmphdr.icmp_type = ICMP_ECHO; //ICMP报文的类型
// icmphdr.icmp_type = ICMP_TIMESTAMP;
icmphdr.icmp_id = _id;
auto now = std::chrono::system_clock::now(); // 获取时间戳, 8bit
memcpy(icmphdr.icmp_data, &now, sizeof(now));
icmphdr.icmp_cksum = CheckSum(&icmphdr, sizeof(icmphdr)); // 计算校验和
if(sendto(_sockfd, &icmphdr, sizeof(icmphdr), 0, (struct sockaddr*)&_destAddr, sizeof(_destAddr)) <= 0)
{ //发送数据
std::cout << "send data fail " << _ip << std::endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1)); //每个一秒发送一次
}
}
void RecvData()
{
while (1)
{
sockaddr_in addr{};
socklen_t fromLen = sizeof(_destAddr);
ssize_t n = recvfrom(_sockfd, _recvData, sizeof(_recvData), 0, (sockaddr*)&addr, &fromLen);
if(n > 0)
{
struct ip* ip_hdr = (struct ip*)_recvData;
// 获取ICMP报文位置，IP头部计算为首部字段长度*4;
struct icmp* icmp_hdr = (struct icmp*)(_recvData + (ip_hdr->ip_hl << 2));
if (icmp_hdr->icmp_type == ICMP_ECHOREPLY && icmp_hdr->icmp_id == _id) //筛选
{
++_recvSeq;
//计算耗时
auto now = std::chrono::system_clock::now();
auto data = (std::chrono::system_clock::time_point*)icmp_hdr->icmp_data;
auto sum = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(now - *data).count();
std::cout << std::format("{} bytes from {}: icmp_seq={} ttl={} time={}ms",
n, inet_ntoa(_destAddr.sin_addr), icmp_hdr->icmp_seq, ip_hdr->ip_ttl, sum) << std::endl;
}
// else
// {
// std::cout << std::format("icmp_type: {}, icmp_ip: {}, icmp_code: {}", icmp_hdr->icmp_type, icmp_hdr->icmp_id, icmp_hdr->icmp_code) << std::endl;
// }
}
else if(n <= 0)
{
std::cerr << "Recv fail" << std::endl;
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
}
unsigned short CheckSum(void* data, int len)
{
unsigned short* buf = (unsigned short*)data;
unsigned sum = 0;
// 计算数据的和
while(len > 1)
{
sum += *buf++;
len -= 2;
}
if(len == 1)
{
sum += *(unsigned char*)buf;
}
// 把高16位和低16位相加
sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);
sum += (sum >> 16);
// 取反
return (unsigned short)(~sum);
}
private:
static std::chrono::system_clock::time_point _oldTime;
static int _sendSeq;
static int _recvSeq;
unsigned short _id;
int _sockfd;
struct sockaddr_in _destAddr;
const char* _ip; //需要ping的ip;
char _recvData[1024];
};
std::chrono::system_clock::time_point PingServer::_oldTime = std::chrono::system_clock::now();
int PingServer::_sendSeq = 0;
int PingServer::_recvSeq = 0;main函数
cpp
#include "Ping.hpp"
//TOOD 初始化
void Usage()
{
std::cout << "ping <ip/hostname>" << std::endl;
}
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc != 2)
{
Usage();
return 1;
}
signal(SIGINT, [](int sig) //当使用 ctl+c 时中断程序。
{
PingServer::TimeEnd();
exit(0);
});
PingServer ping(argv[1]);
ping.Start();
return 0;
}运行测试
CMakeLists
cmake
cmake_minimum_required(VERSION 3.29)
project(PingServer)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)
set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)
add_executable(test test.cpp
Ping.hpp
)运行结果：
总结
本篇文章实现了一个简易的ping指令，其对系统编程、网络编程都有所涉及，但真实的ping指令可远不止这么简单，感兴趣的读者可以通过访问Linux开源项目来了解真正的实现。