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[转载]应用篇ping RAW Socket

[转载]应用篇ping RAW Socket

文章翻译:bugfree
文章来源:http://dev.csdn.net/develop/article/17/17991.shtm

平台: VC6 Windows XP

今晚一杯茶水之后, 让我们继续我们的ICMP讨论, 今晚介绍的是用RAW Socket 实现的ping程序.

原理简介:
--------
用RAW Socket实现的ping可能比上一节的应用ICMP.DLL的程序庞大些, 但是这才是我们需要关注的东西, 我的观点真正想做网络开发的程序员应该静下心来读读这篇文章, 相信你会从中获益颇多. 中间我也会讲解一些东西为后一章的路由追踪做一些铺垫.
另一个重要的要讲的东西, 微软宣布随时不支持上节讲的ping用到的开发接口, 但是本节的讲的是更一般的东西. 所以它不会过时, 甚至做很小的改动就可以移植到别的系统上去. 系统移植不是我们的讲的重点. 但是微软的长期支持足以引起我们充分的重视.
如何少作变动来使的这个程序实现追踪路由的功能, 这里只是抛砖引玉. 将ICMP包中IP包的包头该为特定的值就能得到那个路由器的IP(要求到达目的地的跳数大于你设的特定值).
这个程序需要windows2k/WindowsXP/WindowsNT平台和系统管理员的权限.

具体实现:
--------
这段源代码大部分来自:
  http://tangentsoft.net/wskfaq/examples/rawping.html
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代码:
/*
* 程序名: rawping_driver.cpp
* 说明:   
*     驱动程序,也是主函数
*/
#include <winsock2.h>  
#include <iostream.h>

#include "rawping.h"

#define DEFAULT_PACKET_SIZE 32  // 默认ICMP包字节数
#define DEFAULT_TTL 30        // 默认TTL值
#define MAX_PING_DATA_SIZE 1024  // 最大数据块
#define MAX_PING_PACKET_SIZE (MAX_PING_DATA_SIZE + sizeof(IPHeader)) //最大ICMP包长度

/* 为 send_buf 和 recv_buf 分配内存
* send_buf大小为 packet_size
* recv_buf大小为 MAX_PING_PACKET_SIZE, 保证大于send_buf
*/
int allocate_buffers(ICMPHeader*& send_buf, IPHeader*& recv_buf,
      int packet_size);


///////////////////////////////////////////////////////////////////////
// Program entry point

int main(int argc, char* argv[])
{
      
   int seq_no = 0;  //用在发送和接受的ICMP包头中
   ICMPHeader* send_buf = 0;
   IPHeader* recv_buf = 0;

   // 判断命令行是否合法
   if (argc < 2) {
      cerr << "usage: " << argv[0] << " <host> [data_size] [ttl]" <<
           endl;
      cerr << "\tdata_size can be up to " << MAX_PING_DATA_SIZE <<
           " bytes.  Default is " << DEFAULT_PACKET_SIZE << "." <<
           endl;
      cerr << "\tttl should be 255 or lower.  Default is " <<
           DEFAULT_TTL << "." << endl;
      return 1;
   }

   // 处理命令行参数
   int packet_size = DEFAULT_PACKET_SIZE;
   int ttl = DEFAULT_TTL;
   if (argc > 2) {
      int temp = atoi(argv[2]);
      if (temp != 0) {
        packet_size = temp;
      }
      if (argc > 3) {
        temp = atoi(argv[3]);
        if ((temp >= 0) && (temp <= 255)) {
           ttl = temp;
        }
      }
   }
   packet_size = max(sizeof(ICMPHeader),
        min(MAX_PING_DATA_SIZE, (unsigned int)packet_size));

   // 启动 Winsock
   WSAData wsaData;
   if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 1), &wsaData) != 0) {
      cerr << "Failed to find Winsock 2.1 or better." << endl;
      return 1;
   }

   SOCKET sd; // RAW Socket句柄
   sockaddr_in dest, source;
   
   // 三个任务(创建sd, 设置ttl, 初试dest的值)
   if (setup_for_ping(argv[1], ttl, sd, dest) < 0) {
      goto cleanup; //释放资源并退出
   }
   // 为send_buf和recv_buf分配内存
   if (allocate_buffers(send_buf, recv_buf, packet_size) < 0) {
      goto cleanup;
   }
   // 初试化IMCP数据包(type=8,code=0)
   init_ping_packet(send_buf, packet_size, seq_no);

   // 发送ICMP数据包
   if (send_ping(sd, dest, send_buf, packet_size) >= 0) {
      while (1) {
        // 接受回应包
        if (recv_ping(sd, source, recv_buf, MAX_PING_PACKET_SIZE) <
              0) {
           // Pull the sequence number out of the ICMP header.  If
           // it&#39;s bad, we just complain, but otherwise we take
           // off, because the read failed for some reason.
           unsigned short header_len = recv_buf->h_len * 4;
           ICMPHeader* icmphdr = (ICMPHeader*)
                ((char*)recv_buf + header_len);
           if (icmphdr->seq != seq_no) {
              cerr << "bad sequence number!" << endl;
              continue;
           }
           else {
              break;
           }
        }
        if (decode_reply(recv_buf, packet_size, &source) != -2) {
           // Success or fatal error (as opposed to a minor error)
           // so take off.
           break;
        }
      }
   }

cleanup:
   delete[]send_buf;  //释放分配的内存
   delete[]recv_buf;
   WSACleanup(); // 清理winsock
   return 0;
}

// 为send_buf 和 recv_buf的内存分配. 太简单, 我略过
int allocate_buffers(ICMPHeader*& send_buf, IPHeader*& recv_buf,
      int packet_size)
{
   // First the send buffer
   send_buf = (ICMPHeader*)new char[packet_size];  
   if (send_buf == 0) {
      cerr << "Failed to allocate output buffer." << endl;
      return -1;
   }

   // And then the receive buffer
   recv_buf = (IPHeader*)new char[MAX_PING_PACKET_SIZE];
   if (recv_buf == 0) {
      cerr << "Failed to allocate output buffer." << endl;
      return -1;
   }
   
   return 0;
}
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代码:
/*
* 程序名: rawping.h
* 说明:   
*     主要函数库头文件
*/

#define WIN32_LEAN_AND_MEAN
#include <winsock2.h>

// ICMP 包类型, 具体参见本文的第一节
#define ICMP_ECHO_REPLY 0  
#define ICMP_DEST_UNREACH 3
#define ICMP_TTL_EXPIRE 11
#define ICMP_ECHO_REQUEST 8

// 最小的ICMP包大小
#define ICMP_MIN 8


// IP 包头
struct IPHeader {
   BYTE h_len:4;        // Length of the header in dwords
   BYTE version:4;      // Version of IP
   BYTE tos;          // Type of service
   USHORT total_len;     // Length of the packet in dwords
   USHORT ident;        // unique identifier
   USHORT flags;        // Flags
   BYTE ttl;          // Time to live, 这个字段我在下一节中用来实现Tracert功能
   BYTE proto;         // Protocol number (TCP, UDP etc)
   USHORT checksum;      // IP checksum
   ULONG source_ip;
   ULONG dest_ip;
};

// ICMP 包头(实际的包不包括timestamp字段,
// 作者用来计算包的回应时间,其实完全没有必要这样做)
struct ICMPHeader {
   BYTE type;       // ICMP packet type
   BYTE code;       // Type sub code
   USHORT checksum;
   USHORT id;
   USHORT seq;
   ULONG timestamp;   // not part of ICMP, but we need it
};


extern USHORT ip_checksum(USHORT* buffer, int size);
extern int setup_for_ping(char* host, int ttl, SOCKET& sd,  sockaddr_in& dest);
extern int send_ping(SOCKET sd, const sockaddr_in& dest, ICMPHeader* send_buf, int packet_size);
extern int recv_ping(SOCKET sd, sockaddr_in& source, IPHeader* recv_buf,
      int packet_size);
extern int decode_reply(IPHeader* reply, int bytes, sockaddr_in* from);
extern void init_ping_packet(ICMPHeader* icmp_hdr, int packet_size, int seq_no);

/*
* 程序名: rawping.cpp
* 说明:   
*     主要函数库实现部分
*/

include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#include <iostream.h>
#include "rawping.h"

// 计算ICMP包的校验和的简单算法, 很多地方都有说明, 这里没有必要详细将
// 只是一点要提, 做校验之前, 务必将ICMP包头的checksum字段置为0
USHORT ip_checksum(USHORT* buffer, int size)
{
   unsigned long cksum = 0;
   
   // Sum all the words together, adding the final byte if size is odd
   while (size > 1) {
      cksum += *buffer++;
      size -= sizeof(USHORT);
   }
   if (size) {
      cksum += *(UCHAR*)buffer;
   }

   // Do a little shuffling
   cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
   cksum += (cksum >> 16);
   
   // Return the bitwise complement of the resulting mishmash
   return (USHORT)(~cksum);
}

//初试化RAW Socket, 设置ttl, 初试化dest
// 返回值 <0 表失败

int setup_for_ping(char* host, int ttl, SOCKET& sd, sockaddr_in& dest)
{
   // Create the socket
   sd = WSASocket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP, 0, 0, 0);
   if (sd == INVALID_SOCKET) {
      cerr << "Failed to create raw socket: " << WSAGetLastError() <<
           endl;
      return -1;
   }

   if (setsockopt(sd, IPPROTO_IP, IP_TTL, (const char*)&ttl,
        sizeof(ttl)) == SOCKET_ERROR) {
      cerr << "TTL setsockopt failed: " << WSAGetLastError() << endl;
      return -1;
   }

   // Initialize the destination host info block
   memset(&dest, 0, sizeof(dest));

   // Turn first passed parameter into an IP address to ping
   unsigned int addr = inet_addr(host);
   if (addr != INADDR_NONE) {
      // It was a dotted quad number, so save result
      dest.sin_addr.s_addr = addr;
      dest.sin_family = AF_INET;
   }
   else {
      // Not in dotted quad form, so try and look it up
      hostent* hp = gethostbyname(host);
      if (hp != 0) {
        // Found an address for that host, so save it
        memcpy(&(dest.sin_addr), hp->h_addr, hp->h_length);
        dest.sin_family = hp->h_addrtype;
      }
      else {
        // Not a recognized hostname either!
        cerr << "Failed to resolve " << host << endl;
        return -1;
      }
   }

   return 0;
}



//初试化ICMP的包头, 给data部分填充数据, 最后计算整个包的校验和

void init_ping_packet(ICMPHeader* icmp_hdr, int packet_size, int seq_no)
{
   // Set up the packet&#39;s fields
   icmp_hdr->type = ICMP_ECHO_REQUEST;
   icmp_hdr->code = 0;
   icmp_hdr->checksum = 0;
   icmp_hdr->id = (USHORT)GetCurrentProcessId();
   icmp_hdr->seq = seq_no;
   icmp_hdr->timestamp = GetTickCount();

   // "You&#39;re dead meat now, packet!"
   const unsigned long int deadmeat = 0xDEADBEEF;
   char* datapart = (char*)icmp_hdr + sizeof(ICMPHeader);
   int bytes_left = packet_size - sizeof(ICMPHeader);
   while (bytes_left > 0) {
      memcpy(datapart, &deadmeat, min(int(sizeof(deadmeat)),
           bytes_left));
      bytes_left -= sizeof(deadmeat);
      datapart += sizeof(deadmeat);
   }

   // Calculate a checksum on the result
   icmp_hdr->checksum = ip_checksum((USHORT*)icmp_hdr, packet_size);
}

// 发送生成的ICMP包
// 返回值 <0 表失败

int send_ping(SOCKET sd, const sockaddr_in& dest, ICMPHeader* send_buf,
      int packet_size)
{
   // Send the ping packet in send_buf as-is
   cout << "Sending " << packet_size << " bytes to " <<
        inet_ntoa(dest.sin_addr) << "..." << flush;
   int bwrote = sendto(sd, (char*)send_buf, packet_size, 0,
        (sockaddr*)&dest, sizeof(dest));
   if (bwrote == SOCKET_ERROR) {
      cerr << "send failed: " << WSAGetLastError() << endl;
      return -1;
   }
   else if (bwrote < packet_size) {
      cout << "sent " << bwrote << " bytes..." << flush;
   }

   return 0;
}


// 接受ICMP包
// 返回值 <0 表失败
int recv_ping(SOCKET sd, sockaddr_in& source, IPHeader* recv_buf,
      int packet_size)
{
   // Wait for the ping reply
   int fromlen = sizeof(source);
   int bread = recvfrom(sd, (char*)recv_buf,
        packet_size + sizeof(IPHeader), 0,
        (sockaddr*)&source, &fromlen);
   if (bread == SOCKET_ERROR) {
      cerr << "read failed: ";
      if (WSAGetLastError() == WSAEMSGSIZE) {
        cerr << "buffer too small" << endl;
      }
      else {
        cerr << "error #" << WSAGetLastError() << endl;
      }
      return -1;
   }

   return 0;
}


// 对收到的ICMP解码
// 返回值 -2表忽略, -1 表失败, 0 成功
int decode_reply(IPHeader* reply, int bytes, sockaddr_in* from)
{
   // 跳过IP包头, 找到ICMP的包头
   unsigned short header_len = reply->h_len * 4;
   ICMPHeader* icmphdr = (ICMPHeader*)((char*)reply + header_len);

   // 包的长度合法, header_len + ICMP_MIN为最小ICMP包的长度
   if (bytes < header_len + ICMP_MIN) {
      cerr << "too few bytes from " << inet_ntoa(from->sin_addr) <<
           endl;
      return -1;
   }
   // 下面的包类型详细参见我的第一部分 "透析ICMP协议(一): 协议原理"
   else if (icmphdr->type != ICMP_ECHO_REPLY) {  //非正常回复
      if (icmphdr->type != ICMP_TTL_EXPIRE) {  //ttl减为零
        if (icmphdr->type == ICMP_DEST_UNREACH) { //主机不可达
           cerr << "Destination unreachable" << endl;
        }
        else {  //非法的ICMP包类型
           cerr << "Unknown ICMP packet type " << int(icmphdr->type) <<
                " received" << endl;
        }
        return -1;
      }
   }
   else if (icmphdr->id != (USHORT)GetCurrentProcessId()) {
//不是本进程发的包, 可能是同机的其它ping进程发的
      return -2;
   }

   // 指出包传递了多远
   // [bugfree]我认为作者这里有问题, 因为有些系统的ttl初值为128如winXP,
   // 有些为256如我的DNS服务器211.97.168.129, 作者假设为256有点武断,
   // 可以一起探讨这个问题, 回email:zhangliangsd@hotmail.com
   int nHops = int(256 - reply->ttl);
   if (nHops == 192) {
      // TTL came back 64, so ping was probably to a host on the
      // LAN -- call it a single hop.
      nHops = 1;
   }
   else if (nHops == 128) {
      // Probably localhost
      nHops = 0;
   }

   // 所有工作结束,打印信息
   cout << endl << bytes << " bytes from " <<
        inet_ntoa(from->sin_addr) << ", icmp_seq " <<
        icmphdr->seq << ", ";
   if (icmphdr->type == ICMP_TTL_EXPIRE) {
      cout << "TTL expired." << endl;
   }
   else {
      cout << nHops << " hop" << (nHops == 1 ? "" : "s");
      cout << ", time: " << (GetTickCount() - icmphdr->timestamp) <<
           " ms." << endl;
   }

   return 0;
}
总结和建议:
-----------
  bugfree建议其中的这些方面需要改进:
   1. 头文件iostream.h 改为 iostream, 后者是标准C++的头文件
     同时添加对std::cout 和 std::endl;的引用
     对于cerr 建议都改为std::cout(因为后者头文件不支持)
   2. 程序的发送和接受采用了同步的方式, 这使得如果出现网络问题recv_ping将陷入持续等待.
     这是我们不想看到的.
     这三种技术可以达到目的:
      - 使用多线程, 将ping封装进线程, 在主程序中对它的超时进行处理
      - 使用select()函数来实现
      - 使用windows的 WSAAsyncSelect()
     这里对这些方法不作具体讨论, 留给读者自已完成.

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