c语言实现ping程序

水深无声 2022-05-22 04:11 808阅读 1赞

# 基础知识 #

1、ICMP协议  
互联网控制信息协议(Internet CONTROLM essage Protocol)，用于错误报告和调试。该协议是TCP/IP 协议集中的一个子协议,属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到IP 数据无法访问目标、IP 路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息。我们可以通过Ping 命令发送ICMP回应请求消息并记录收到ICMP回应回复消息,通过这些消息来对网络或主机的故障提供参考依据。常见ICMP报文有响应请求报文，目标不可到达、源抑制和超时报文，此外还有时间戳报文。

2、Ping 工作原理  
Ping的原理就是首先建立通道，然后发送包，对方接受后返回信息，这个包至少包括以下内容:发送的时候，包的内容包括对方的ip地址和自己的地址，还有序列数；回送的时候包括双方地址，还有时间等，主要是接受方在都是在操作系统内核里做好的，时刻在监听。Ping程序生成一个icmp“回送请求”，将其发送给目的主机。通过检测是否可以收到目标主机的应答，便可以知道网络的连通性。

3.ICMP报文格式

4.IP报文格式

5、WinSock原始套接字的使用方法与API  
函数Winsock 原始套接字编程过程中，服务器端/ 客户端的编程都按照以下步骤：  
初始化套接字(WSAStartup)  
创建套接字(socket 或WSASocket)  
向服务器通信(sendto/recvfrom)  
关闭套接字(closesocket)  
结束使用套接字(WSACleanup)

6、三种WinSock地址结构  
① 用的Winsock 地址结构sockaddr ，针对各种通信域的套接字，存储它们的地址信息。  
② 专门针对Internet 通信域的Winsock 地址结构sockaddr\_in  
③ 专用于存储IP 地址的结构in\_addr

7、编程时，需要用到一些windows 函数,说明如下：  
(1)int WSAStartup(WORD wVersionRequested,LPWSADA TA lpWSAData);  
函数说明：为了在应用程序当中调用任何一个Winsock API 函数，首先第一件事情就是必须通过WSAStartup 函数完成对Winsock 服务的初始化， 因此需要调用WSAStartup 函数。使用Socket的程序在使用Socket 之前必须调用WSAStartup 函数。该函数的第一个参数指明程序请求使用的Socket 版本，其中高位字节指明副版本、低位字节指明主版本；操作系统利用第二个参数返回请求的Socket 的版本信息。当一个应用程序调用WSAStartup函数时，操作系统根据请求的Socket 版本来搜索相应的Socket 库，然后绑定找到的Socket 库到该应用程序中。以后应用程序就可以调用所请求的Socket 库中的其它Socket 函数了。  
(2)SOCKET socket( int af, int type, int protocol );  
函数说明：应用程序调用socket 函数来创建一个能够进行网络通信的套接字。  
第一个参数指定应用程序使用的通信协议的协议族，对于TCP/IP 协议族，该参数置AF\_INET;第二个参数指定要创建的套接字类型，流套接字类型为SOCK\_STREAM 、数据报套接字类型为SOCK\_DGRAM 、原始套接字SOCK\_RAW接口并不适用某种特定的协议去封装它，而是由程序自行处理数据包以及协议首部)；第三个参数指定应用程序所使用的通信协议。  
(3).int sendto( SOCKET s, const char FAR \*buf, int len,int flags, const struct sockaddr FAR \*to, int tolen);  
函数说明：  
返回值：实际发送数据的长度。  
parameter s 套接字  
buff 待发送数据的缓冲区size 缓冲区长度  
Flags 调用方式标志位, 一般为0, 改变Flags，将会改变Sendto 发送的形式  
Addr 指针，指向目的套接字的地址  
Len addr 所指地址的长度  
(4)int recvfrom(SOCKET s, char FAR\* buf, int len, int flags,struct sockaddr FAR \*from, int FAR \*fromlen );  
函数说明:recvfrom( )用来接收远程主机经指定的socket 传来的数据,并把数据传到由参数buf 指向的内存空间,参数len 为可接收数据的最大长度.参flags 一般设0,其他数值定义参考recv(). 参数from 用来指定欲传送的网络地址,结构sockaddr 请参考bind() 函数.参数fromlen 为sockaddr 的结构长度.

# 算法设计 #

要实现ping 程序，需要实现以下步骤：  
（1） 创建协议类型为IPPROTO\_ICMP 的原始套接字，设置套接字属性。  
（2） 创建并初始化ICMP 封包。  
（3） 调用sendto 函数向远程主机发送ICMP 请求。  
（4） 调用recfrom 函数接受ICMP 响应。  
Ping程序的设计与实现大致可分为四个模块，分别是：初始化模块、功能控制模块、ping 模块、mian 测试模块。  
![70][]  
1.初始化模块：该模块用于定义及初始化各个全局变量，为winsock加载winsock 体。主要包括定义IP 首部格式、定义ICMP首部格式、定义ICMP回应请求、定义ICMP回应答复。  
![这里写图片描述][70 1]  
2.功能控制模块： 该模块是被其他模块调用，其功能包括计算校验和、发送回应请求函数、接收应答回复并进行解析、等待回应答复。  
计算校验和  
![这里写图片描述][70 2]  
发送请求  
![这里写图片描述][70 3]  
接收应答回复并进行解析  
![这里写图片描述][70 4]  
等待回应答复  
![这里写图片描述][70 5]  
3.Ping 模块功能模块 该模块是本程序的核心模块，调用其他模块实现其功  
能，进而实现Ping 的功能。  
![这里写图片描述][70 6]  
4.main()函数模块：向指定的域名或IP 地址发送Echo请求报文；根据响应报文显示出Ping 的结果  
![这里写图片描述][70 7]

## 代码 ##

#include <stdio.h> 
    #include <stdlib.h> 
    #include <winsock.h> 
    #include<conio.h> 
    #pragma comment(lib, "ws2_32.lib")// 导入库文件 
    #define ICMP_ECHOREPLY 0 //ICMP 回应答复 
    #define ICMP_ECHOREQ 8 //ICMP 回应请求 
    #define REQ_DATASIZE 32 // 请求数据报大小
    #include <iostream>
    using namespace std; 
    
    //定义 IP 首部格式
    typedef struct IPHeader 
    { 
        u_char VIHL; // 版本和首部长度 
        u_char ToS; //服务类型 
        u_short TotalLen; // 总长度 
        u_short ID; // 标识号 
        u_short Frag_Flags; //片偏移量 
        u_char TTL; // 生存时间 
        u_char Protocol; // 协议 
        u_short Checksum; //首部校验和
        struct in_addr SrcIP; // 源 IP 地址 
        struct in_addr DestIP; // 目的地址
    }IPHDR, *PIPHDR; 
    
    //定义 ICMP 首部格式
    typedef struct ICMPHeader 
    { 
        u_char Type; //类型 
        u_char Code; //代码 
        u_short Checksum; //首部校验和 
        u_short ID; // 标识 
        u_short Seq; //序列号
        char Data; //数据
    }ICMPHDR, *PICMPHDR; 
    
    //定义 ICMP 回应请求
    typedef struct ECHOREQUEST 
    { 
        ICMPHDR icmpHdr; 
        DWORD dwTime; 
        char cData[REQ_DATASIZE]; 
    }ECHOREQUEST, *PECHOREQUEST; 
    
    //定义 ICMP 回应答复
    typedef struct ECHOREPLY 
    { 
        IPHDR ipHdr; 
        ECHOREQUEST echoRequest; 
        char cFiller[256]; 
    }ECHOREPLY,*PECHOREPLY;
    
    //计算校验和
    u_short checksum(u_short *buffer, int len) 
    { 
        register int nleft = len; 
        register u_short *w = buffer; 
        register u_short answer; 
        register int sum = 0; 
        //使用 32 位累加器 ,进行 16 位的反馈计算
        while ( nleft > 1 ) 
        { 
            sum += *w++; 
            nleft -= 2; 
        } 
        //补全奇数位
        if ( nleft == 1 ) 
        { 
            u_short u = 0; 
            *(u_char *)(&u) = *(u_char*)w; 
            sum += u; 
        }
        //将反馈的 16 位从高位移到低位
        sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff); 
        sum += (sum >> 16); 
        answer = ~sum; 
        return (answer); 
    } 
    
    //发送回应请求函数
    int SendEchoRequest(SOCKET s, struct sockaddr_in *lpstToAddr) 
    { 
        static ECHOREQUEST echoReq; 
        static int nId = 1; 
        static int nSeq = 1; 
        int nRet; 
        //填充回应请求消息
        echoReq.icmpHdr.Type = ICMP_ECHOREQ; 
        echoReq.icmpHdr.Code = 0; 
        echoReq.icmpHdr.Checksum = 0; 
        echoReq.icmpHdr.ID = nId++; 
        echoReq.icmpHdr.Seq = nSeq++; 
        //填充要发送的数据
        for (nRet = 0; nRet < REQ_DATASIZE; nRet++) 
        { 
            echoReq.cData[nRet] = '1' + nRet; 
        } 
        //存储发送的时间
        echoReq.dwTime = GetTickCount(); 
        //计算回应请求的校验和
        echoReq.icmpHdr.Checksum = checksum((u_short*)&echoReq, sizeof(ECHOREQUEST)); 
        //发送回应请求
        nRet = sendto(s,(LPSTR)&echoReq,sizeof(ECHOREQUEST),0,(struct sockaddr*)lpstToAddr,sizeof(SOCKADDR_IN)); 
        if (nRet == SOCKET_ERROR) 
        { 
            printf("send to() error:%d\n", WSAGetLastError()); 
        } 
        return (nRet); 
    } 
    
    //接收应答回复并进行解析
    DWORD RecvEchoReply(SOCKET s, LPSOCKADDR_IN lpsaFrom, u_char *pTTL) 
    { 
        ECHOREPLY echoReply; 
        int nRet; 
        int nAddrLen = sizeof(struct sockaddr_in); 
        //接收应答回复
        nRet = recvfrom(s,(LPSTR)&echoReply,sizeof(ECHOREPLY),0,(LPSOCKADDR)lpsaFrom,&nAddrLen); 
        //检验接收结果
        if (nRet == SOCKET_ERROR) 
        { 
            printf("recvfrom() error:%d\n",WSAGetLastError()); 
        } 
        //记录返回的 TTL 
        *pTTL = echoReply.ipHdr.TTL; 
        //返回应答时间
        return(echoReply.echoRequest.dwTime); 
    } 
    
    //等待回应答复 ,使用 select 模型
    int WaitForEchoReply(SOCKET s) 
    {
        struct timeval timeout;
        fd_set readfds;
        readfds.fd_count = 1;
        readfds.fd_array[0] = s;
        timeout.tv_sec = 1;
        timeout.tv_usec = 0;
        return(select(1, &readfds, NULL, NULL, &timeout));
    } 
    
    //PING 功能实现
    void Ping(char *pstrHost,bool logic) 
    { 
        char c; 
        SOCKET rawSocket; 
        LPHOSTENT lpHost; 
        struct sockaddr_in destIP; 
        struct sockaddr_in srcIP; 
        DWORD dwTimeSent; 
        DWORD dwElapsed; 
        u_char cTTL; 
        int nLoop,k=4; 
        int nRet,minimum=100000,maximum=0,average=0; 
        int sent=4,reveived=0,lost=0; 
        //创建原始套接字 ,ICMP 类型
        rawSocket = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
        // 第二个注释函数 socket 
        if (rawSocket == SOCKET_ERROR) 
        { 
            printf("socket() error:%d\n", WSAGetLastError()); 
            return; 
        } 
        //检测目标主机
        lpHost = gethostbyname(pstrHost); 
        if (lpHost==NULL) 
        { 
            printf("Host not found:%s\n", pstrHost); 
            return; 
        } 
        //设置目标机地址 
        destIP.sin_addr.s_addr = *((u_long FAR*)(lpHost->h_addr)); // 设置目标 IP 
        destIP.sin_family = AF_INET; //地址规格
        destIP.sin_port = 0; 
        //提示开始进行 PING 
        printf("\nPinging %s [%s] with %d bytes of data:\n",pstrHost,inet_ntoa(destIP.sin_addr),REQ_DATASIZE);
        //发起多次 PING 测试
        for (nLoop=0; nLoop<k; nLoop++){ 
            if (logic) k=k+1; 
            //发送 ICMP 回应请求 
            SendEchoRequest(rawSocket, &destIP); 
            //等待回复的数据
            nRet = WaitForEchoReply(rawSocket); 
            if(nRet == SOCKET_ERROR) 
            { 
                printf("select() error:%d\n", WSAGetLastError()); 
                break; 
            } 
            if (!nRet) 
            { 
                lost++; 
                printf("\nRequest time out."); 
                continue; 
            } 
            //接收回复
            dwTimeSent = RecvEchoReply(rawSocket, &srcIP, &cTTL); 
            reveived++; 
            //计算花费的时间
            dwElapsed = GetTickCount() - dwTimeSent; 
            if(dwElapsed>maximum) maximum=dwElapsed; 
            if(dwElapsed<minimum) minimum=dwElapsed; 
            average+=dwElapsed; 
            printf("\nReply from %s: bytes = %d time = %ldms TTL = %d", 
                inet_ntoa(srcIP.sin_addr),REQ_DATASIZE,dwElapsed,cTTL); 
            if(_kbhit()) /* Use _getch to throw key away. */ 
            { 
                if ((c=_getch())==0x2) //crrl -b 
                break; 
            } else 
            Sleep(1000); 
        } 
        printf("\n\n"); 
        printf("Ping statistics for %s:\n",inet_ntoa(srcIP.sin_addr)); 
        printf(" Packets: Sent = %d, Received = %d, Lost = %d (%.f%% loss),\n", 
            sent,reveived,lost,(float)(lost*1.0/sent)*100); 
        if(lost==0) 
        { 
            printf("Approximate round trip times in milli-seconds:\n"); 
            printf(" Minimum = %dms, Maximum = %dms, Average = %dms\n",minimum,maximum,average/sent); 
        } 
        printf("\n\n"); 
        nRet = closesocket(rawSocket); 
        if (nRet == SOCKET_ERROR) 
        { 
            printf("closesocket() error:%d\n", WSAGetLastError()); 
        } 
    } 
    
    //主程序
    void main() 
    { 
        printf("Welcome to the Ping Test\n"); 
        while(1) 
        { 
            WSADATA wsd;// 检测输入的参数 
            //初始化 Winsock 
            if(WSAStartup(MAKEWORD(1, 1), &wsd) != 0){
       // 第一个函数说明 WSAStartup() 
                printf(" 加载 Winsock 失败 !\n"); 
            } 
            char opt1[100]; 
            char *ptr=opt1; 
            bool log=false; 
            printf("Ping "); 
            cin.getline(opt1,100,'\n');//ping 的地址 字符串
            if(strstr(opt1, "-t")!=NULL) 
            { 
                log=true; 
                strncpy(ptr,opt1+0,strlen(opt1)-3);// 把原字符串的最后三位截取 
                ptr[strlen(opt1)-2]=0; 
                //printf("%s", ptr); 
            } 
            //开始 PING 
            Ping(ptr,log); 
            //程序释放 Winsock 资源
            WSACleanup(); 
        } 
    }

![这里写图片描述][70 8]

[70]: /images/20220522/6dad8a1db9814ed1b8a75aaef7c00bdd.png
[70 1]: /images/20220522/56776707466f48a084db65ab992deba6.png
[70 2]: /images/20220522/43d62c96285a4b54bfc5ba9cfa03b5f1.png
[70 3]: /images/20220522/2beedca9a82644c59f4c3cefae3f3c4a.png
[70 4]: /images/20220522/9ceca11140c0402d99559a4ccdc187a0.png
[70 5]: /images/20220522/cb578b14479244f1aa328fbf120077ac.png
[70 6]: /images/20220522/43ec166267d64926a5ee6971ac393e5e.png
[70 7]: /images/20220522/90c9bb9a01af4b1aa1e43c00fd69188b.png
[70 8]: /images/20220522/642dbd5ef1024faf80e09fe7576ca48f.png