[C++] 从零实现一个ping服务
💻文章目录
- 前言
- ICMP
- 概念
- 报文格式
- Ping服务实现
- 系统调用函数
- 具体实现
- 运行测试
- 总结
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」
/*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_lifetimeunion{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。
//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。
//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。
/*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_inchar *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
#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⬇️。
#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IPV4if(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_inmemcpy(&_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, 8bitmemcpy(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
#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
CMakeList
cmake_minimum_required(VERSION 3.29)
project(PingServer)set(CMAKE_CXX_STANDARD 20)
set(CMAKE_EXPORT_COMPILE_COMMANDS ON)add_executable(test test.cppPing.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。
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