C 语言如何ping

C 语言如何实现ping

C 语言可以通过使用ICMP协议、创建套接字、发送ICMP回显请求、接收ICMP回显响应来实现ping功能。这其中最关键的环节是如何构建ICMP包并通过原始套接字进行通信。构建ICMP包是其中最复杂的部分，因为需要对ICMP头部和数据部分进行详细处理。下面将详细介绍如何在C语言中实现ping的具体步骤。

一、理解ICMP协议

1、什么是ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议）是网络通信中用于发送错误消息和操作信息的协议。它主要用于在主机和路由器之间传递控制信息。ICMP协议是TCP/IP协议族中的一个重要组成部分，通过它可以检测网络的连通性和诊断网络问题。

2、ICMP的基本结构

ICMP数据包主要由ICMP头部和数据部分组成。ICMP头部包含类型、代码、校验和等字段。ICMP类型字段确定了ICMP消息的类型，例如回显请求（Echo Request）和回显响应（Echo Reply）。代码字段提供了特定ICMP类型的附加信息。校验和字段用于确保数据包的完整性。

二、创建原始套接字

1、什么是原始套接字

原始套接字是一种特殊类型的套接字，允许直接访问底层协议，如IP和ICMP。使用原始套接字可以绕过传输层协议（如TCP和UDP），直接处理网络层的数据包。

2、如何在C语言中创建原始套接字

在C语言中，可以使用socket函数创建原始套接字。具体代码如下：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
if (sockfd < 0) {
    perror("socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

这里，AF_INET表示使用IPv4地址族，SOCK_RAW表示创建原始套接字，IPPROTO_ICMP表示使用ICMP协议。

三、构建ICMP包

1、ICMP头部结构体定义

首先，需要定义ICMP头部的结构体：

struct icmphdr {
    u_int8_t type;       /* ICMP message type */
    u_int8_t code;       /* Type sub-code */
    u_int16_t checksum;
    u_int16_t id;
    u_int16_t sequence;
};

2、计算校验和

校验和是ICMP包中用于检测错误的字段。以下是计算校验和的函数：

unsigned short checksum(void *b, int len) {    
    unsigned short *buf = b; 
    unsigned int sum=0; 
    unsigned short result;
    for ( sum = 0; len > 1; len -= 2 )
        sum += *buf++;
    if ( len == 1 )
        sum += *(unsigned char*)buf;
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);
    sum += (sum >> 16);
    result = ~sum;
    return result;
}

3、构建ICMP回显请求包

构建ICMP回显请求包，设置ICMP头部的字段，并计算校验和：

struct icmphdr icmp_hdr;
icmp_hdr.type = ICMP_ECHO;
icmp_hdr.code = 0;
icmp_hdr.un.echo.id = getpid();
icmp_hdr.un.echo.sequence = 1;
icmp_hdr.checksum = 0;
icmp_hdr.checksum = checksum(&icmp_hdr, sizeof(icmp_hdr));

四、发送和接收ICMP包

1、发送ICMP回显请求

使用sendto函数发送ICMP回显请求：

struct sockaddr_in dest_addr;
memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
dest_addr.sin_family = AF_INET;
dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("8.8.8.8"); // 目标IP地址
if (sendto(sockfd, &icmp_hdr, sizeof(icmp_hdr), 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr)) <= 0) {
    perror("sendto failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

2、接收ICMP回显响应

使用recvfrom函数接收ICMP回显响应：

char buf[1024];
struct sockaddr_in recv_addr;
socklen_t addr_len = sizeof(recv_addr);
if (recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&recv_addr, &addr_len) <= 0) {
    perror("recvfrom failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
// 解析ICMP响应包
struct iphdr *ip_hdr = (struct iphdr *)buf;
struct icmphdr *recv_icmp_hdr = (struct icmphdr *)(buf + (ip_hdr->ihl * 4));
if (recv_icmp_hdr->type == ICMP_ECHOREPLY) {
    printf("Received ICMP Echo Reply from %sn", inet_ntoa(recv_addr.sin_addr));
}

五、优化与扩展

1、多线程实现并发ping

为了提高效率，可以使用多线程实现并发ping。每个线程负责ping一个目标IP地址。

2、处理超时情况

为了处理超时情况，可以使用select函数设置超时时间，以避免程序长时间等待响应。

3、记录ping结果

记录每次ping的结果，包括发送时间、接收时间、延迟、丢包率等信息，方便后续分析。

六、示例代码

以下是完整的示例代码，展示了如何在C语言中实现ping功能：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/ip_icmp.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/time.h>
#include <errno.h>
unsigned short checksum(void *b, int len) {    
    unsigned short *buf = b; 
    unsigned int sum=0; 
    unsigned short result;
    for ( sum = 0; len > 1; len -= 2 )
        sum += *buf++;
    if ( len == 1 )
        sum += *(unsigned char*)buf;
    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xFFFF);
    sum += (sum >> 16);
    result = ~sum;
    return result;
}
int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc != 2) {
        printf("Usage: %s <ip_address>n", argv[0]);
        return 1;
    }
    const char *ip_addr = argv[1];
    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        return 1;
    }
    struct icmphdr icmp_hdr;
    icmp_hdr.type = ICMP_ECHO;
    icmp_hdr.code = 0;
    icmp_hdr.un.echo.id = getpid();
    icmp_hdr.un.echo.sequence = 1;
    icmp_hdr.checksum = 0;
    icmp_hdr.checksum = checksum(&icmp_hdr, sizeof(icmp_hdr));
    struct sockaddr_in dest_addr;
    memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));
    dest_addr.sin_family = AF_INET;
    dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_addr);
    if (sendto(sockfd, &icmp_hdr, sizeof(icmp_hdr), 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr)) <= 0) {
        perror("sendto failed");
        return 1;
    }
    char buf[1024];
    struct sockaddr_in recv_addr;
    socklen_t addr_len = sizeof(recv_addr);
    if (recvfrom(sockfd, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr *)&recv_addr, &addr_len) <= 0) {
        perror("recvfrom failed");
        return 1;
    }
    struct iphdr *ip_hdr = (struct iphdr *)buf;
    struct icmphdr *recv_icmp_hdr = (struct icmphdr *)(buf + (ip_hdr->ihl * 4));
    if (recv_icmp_hdr->type == ICMP_ECHOREPLY) {
        printf("Received ICMP Echo Reply from %sn", inet_ntoa(recv_addr.sin_addr));
    } else {
        printf("Received ICMP packet with type %dn", recv_icmp_hdr->type);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

这段代码展示了如何在C语言中实现ping功能，包括创建原始套接字、构建ICMP包、发送和接收ICMP包等步骤。通过这种方式，可以检测网络的连通性并诊断网络问题。