• ICMP 协议
  • 因特网控制报文协议
  • ICMP 报文格式
  • ICMP 报文类型
• 原始套接字
• ping 程序编写
  • ICMP 头结构
  • initsock.h
  • 主函数
  • 运行效果
• 参考资料

ICMP 协议

因特网控制报文协议

ICMP，即因特网控制报文协议，在主机和路由器之间起到沟通网络层信息的作用。最典型的用途就是差错报告，它允许主机或路由器报告查错情况和提交有关异常情况的报告。例如网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息，这些控制消息虽对于数据的传递起着重要的作用。ICMP 报文作为 IP 有效载荷承载的，因此虽然 ICMP 被认为是 IP 的一部分，但在体系结构上 ICMP 位于 IP 之上。当主机接收到指明上层协议为 ICMP 的 IP 数据报时，该数据报分解的内容应当交给 ICMP。

ICMP 报文格式

ICMP 报文包括 IP 头部、ICMP 头部和 ICMP 报文 3 个部分，ICMP 报文是作为 IP 有效载荷承载的。

ICMP 报文类型

常用报文类型如下：

对于 Ping 程序而言是会发送一个回显请求(类型 8 编码 0)报文给目的主机，目的主机收到之后就发送回显应答(类型 0 编码 0)报文进行回显。TTL 报文(类型 11 编码 0)是在 Traceroute 程序中，路由器检查到 Traceroute 发出的 IP 数据报中 TTL 正好过期，因此路由器就需要丢包并且发送该警告报文返回源主机。源主机就可以得到路由器的 IP 地址，以此达到路由追踪的目的。

原始套接字

原始套接字是允许访问底层传输协议的一种套接字类型，可以直接从应用层将数据送到网络层，在网络层对协议进行解析，起到一种“隔山打牛”的作用。原始套接字有两种类型，第一种类型是在 IP 头中使用预定义的协议，例如 ICMP，第二种类型是在 IP 头中使用自定义的协议。原始套接字提供管理下层传输的能力，它们可能会被恶意利用，因此为了保证安全性仅 Administrator 组的成员能够创建 SOCK_RAW 类型的套接字。
创建原始套接字的函数也是 socket 或者WSASocket，要将套接字类型指定为SOCK_RAW，第 3 个参数 protocol 的值将成为 IP 头中协议域的值。也就是说如果创建原始套接字时，IPPROTO_ICMP 指定要使用 ICMP 协议。

SOCKET sRaw = ::Socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

协议类型可以使用 ICMP，也可以使用 IGMP、UDP、IP，对应的宏定义分别是 IPPROTO_IGMP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_IP或IPPROTO_RAW，其中协议标志 IPPROTO_UDP、IPPROTO_IP和IPPROTO_RAW 需要有效 IP_HDRINCL 选项。使用恰当的协议标志创建原始套接字之后，便可以在发送和接收调用中使用此套接字句柄了。

ping 程序编写

Ping 经常用来确定特定的主机是否存在，是否可以到达。通过产生一个 ICMP 回显请求发送给目的主机，根据应答的报文情况，便可以确定是否可以成功到达那个机器。

ICMP 头结构

初始化 ICMP 头时先初始化消息类型和代码域，之后回显请求头，然后编写校验和的计算方法。发送ICMP报文时，必须由程序自己计算校验和，将它填入 ICMP 头部对应的域中。校验和的计算方法是：将数据以字为单位累加到一个双字中，如果数据长度为奇数，最后一个字节将被扩展到字，累加的结果是一个双字，最后将这个双字的高 16 位和低 16 位相加后取反，便得到了校验和。

#include "initsock.h"

#include <iostream>
using namespace std;

CInitSock initSock;     // 初始化Winsock库

typedef struct icmp_hdr
{
    unsigned char   icmp_type;      // 消息类型
    unsigned char   icmp_code;      // 代码
    unsigned short  icmp_checksum;  // 校验和
    // 下面是回显头
    unsigned short  icmp_id;        // 用来惟一标识此请求的ID号，通常设置为进程ID
    unsigned short  icmp_sequence;  // 序列号
    unsigned long   icmp_timestamp; // 时间戳
} ICMP_HDR, * PICMP_HDR;

USHORT checksum(USHORT* buff, int size)
{
    unsigned long cksum = 0;
    //将数据以字为单位累加到 cksum 中
    while (size > 1)
    {
        cksum += *buff++;
        size -= sizeof(USHORT);
    }
    // 如果为奇数，将最后一个字节扩展到双字，再累加到cksum中
    if (size)
    {
        cksum += *(UCHAR*)buff;
    }
    // 将 32 位的 chsum 高 16 位和低 16 位相加，然后取反
    cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
    cksum += (cksum >> 16);    //进位处理
    return (USHORT)(~cksum);
}

initsock.h

#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "WS2_32")  // 链接到 WS2_32.lib

class CInitSock
{
public:
    /*CInitSock 的构造器*/
    CInitSock(BYTE minorVer = 2, BYTE majorVer = 2)
    {
        // 初始化WS2_32.dll
        WSADATA wsaData;
        WORD sockVersion = MAKEWORD(minorVer, majorVer);
        if (::WSAStartup(sockVersion, &wsaData) != 0)
        {
            exit(0);
        }
    }

    /*CInitSock 的析构器*/
    ~CInitSock()
    {
        ::WSACleanup();
    }
};

主函数

Ping 的编写步骤如下：

1. 创建协议类型为 IPPROTO_ICMP 的原始套接字，设置套接字的属性；
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 recvfrom 函数接收ICMP响应。

int main()
{
    // 目的IP地址，即要Ping的IP地址
    char szDestIp[] = "36.152.44.96";

    // 创建原始套节字
    SOCKET sRaw = ::socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

    // 设置目的地址
    SOCKADDR_IN dest;
    dest.sin_family = AF_INET;
    dest.sin_port = htons(0);
    dest.sin_addr.S_un.S_addr = inet_addr(szDestIp);

    // 创建ICMP封包
    char buff[sizeof(ICMP_HDR) + 32];
    ICMP_HDR* pIcmp = (ICMP_HDR*)buff;
    // 填写ICMP封包数据
    pIcmp->icmp_type = 8;   // 请求一个ICMP回显
    pIcmp->icmp_code = 0;
    pIcmp->icmp_id = (USHORT)::GetCurrentProcessId();
    pIcmp->icmp_checksum = 0;
    pIcmp->icmp_sequence = 0;
    // 填充数据部分，可以为任意
    memset(&buff[sizeof(ICMP_HDR)], 'E', 32);

    // 开始发送和接收ICMP封包
    USHORT  nSeq = 0;
    char recvBuf[1024];
    SOCKADDR_IN from;
    int nLen = sizeof(from);
    while (TRUE)
    {
        static int nCount = 0;
        int nRet;
        if (nCount++ == 4) {
            break;
        }
        pIcmp->icmp_checksum = 0;
        pIcmp->icmp_timestamp = ::GetTickCount();
        pIcmp->icmp_sequence = nSeq++;
        pIcmp->icmp_checksum = checksum((USHORT*)buff, sizeof(ICMP_HDR) + 32);
        nRet = ::sendto(sRaw, buff, sizeof(ICMP_HDR) + 32, 0, (SOCKADDR*)&dest, sizeof(dest));
        if (nRet == SOCKET_ERROR)
        {
            cout << " sendto() failed: " << ::WSAGetLastError() << endl;
            return -1;
        }
        nRet = ::recvfrom(sRaw, recvBuf, 1024, 0, (sockaddr*)&from, &nLen);
        if (nRet == SOCKET_ERROR)
        {
            if (::WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT)
            {
                cout << " timed out" << endl;
                continue;
            }
            cout << " recvfrom() failed: " << ::WSAGetLastError() << endl;
            return -1;
        }

        // 下面开始解析接收到的ICMP封包
        int nTick = ::GetTickCount();
        if (nRet < sizeof(IPHeader) + sizeof(ICMP_HDR))
        {
            cout << " Too few bytes from %s" << ::inet_ntoa(from.sin_addr) << endl;
        }
        // 接收到的数据中包含IP头，IP头大小为20个字节，所以加20得到ICMP头
        ICMP_HDR* pRecvIcmp = (ICMP_HDR*)(recvBuf + sizeof(IPHeader));
        if (pRecvIcmp->icmp_type != 0)   // 回显
        {
            cout << " nonecho type " << pRecvIcmp->icmp_type << " recvd" << endl;
            return -1;
        }

        if (pRecvIcmp->icmp_id != ::GetCurrentProcessId())
        {
            cout << " someone else's packet!" << endl;
            return -1;
        }

        cout << nRet << " bytes from " << inet_ntoa(from.sin_addr) 
            << " icmp_seq = " << pRecvIcmp->icmp_sequence << "." 
            << " time: " << nTick - pRecvIcmp->icmp_timestamp << "ms" << endl;

        ::Sleep(1000);
    }

    return 0;
}

运行效果

参考资料

《Windows 网络与通信编程》，陈香凝 王烨阳 陈婷婷 张铮 编著，人民邮电出版社