[C++] 从零实现一个ping服务

news2024/10/5 17:28:11
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💻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。

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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：

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  • 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_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。

//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_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

#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

#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.cpp
        Ping.hpp
)

运行结果：

在这里插入图片描述

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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