大部分人用ping命令只是作爲查看另一個系統的網絡連接是否正常的一種簡單方法。在這篇文章中，作者將介紹如何用C語言編寫一個模擬ping命令功能的程序。
ping命令是用來查看網絡上另一個主機系統的網絡連接是否正常的一個。ping命令的工作原理是：向網絡上的另一個主機系統發送ICMP報文，如果指定系統得到了報文，它將把報文一模一樣地傳回給發送者，這有點象潛水艇聲納系統中使用的發聲裝置。
例如，在終端上執行ping localhost命令將會看到以下結果:
PING localhost.localdomain (127.0.0.1) from 127.0.0.1 : 56(84) bytes of data.
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=0 ttl=255 time=112 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=1 ttl=255 time=79 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=2 ttl=255 time=78 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=3 ttl=255 time=82 usec
--- localhost.localdomain ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
由上面的執行結果可以看到，ping命令執行後顯示出被測試系統主機名和相應IP地址、返回給當前主機的ICMP報文順序號、ttl生存時間和往返時間rtt（單位是毫秒，即千分之一秒）。要寫一個模擬ping命令，這些信息有啓示作用。
要真正瞭解ping命令實現原理，就要了解ping命令所使用到的TCP/IP協議。
ICMP(Internet Control Message,網際控制報文協議)是爲網關和目標主機而提供的一種差錯控制機制，使它們在遇到差錯時能把錯誤報告給報文源發方。ICMP協議是IP層的一個協議，但是由於差錯報告在發送給報文源發方時可能也要經過若干子網，因此牽涉到路由選擇等問題，所以ICMP報文需通過IP協議來發送。ICMP數據報的數據發送前需要兩級封裝：首先添加ICMP報頭形成ICMP報文，再添加IP報頭形成IP數據報。如下圖所示
IP報頭
ICMP報頭
ICMP數據報
IP報頭格式
由於IP層協議是一種點對點的協議，而非端對端的協議，它提供無連接的數據報服務，沒有端口的概念，因此很少使用bind()和connect()函數，若有使用也只是用於設置IP地址。發送數據使用sendto()函數，接收數據使用recvfrom()函數。IP報頭格式如下圖：
在Linux中，IP報頭格式數據結構( )定義如下：
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
#if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
#define IP_RF 0x8000 /* reserved fragment flag */
#define IP_DF 0x4000 /* dont fragment flag */
#define IP_MF 0x2000 /* more fragments flag */
#define IP_OFFMASK 0x1fff /* mask for fragmenting bits */
struct in_addr ip_src, ip_dst; /* source and dest address */
其中ping程序只使用以下數據：
IP報頭長度IHL（Internet Header Length）――以４字節爲一個單位來記錄IP報頭的長度，是上述IP數據結構的ip_hl變量。
生存時間TTL（Time To Live）――以秒爲單位，指出IP數據報能在網絡上停留的最長時間，其值由發送方設定，並在經過路由的每一個節點時減一，當該值爲０時，數據報將被丟棄，是上述IP數據結構的ip_ttl變量。
ICMP報頭格式
ICMP報文分爲兩種，一是錯誤報告報文，二是查詢報文。每個ICMP報頭均包含類型、編碼和校驗和這三項內容，長度爲８位，８位和１６位，其餘選項則隨ICMP的功能不同而不同。
Ping命令只使用衆多ICMP報文中的兩種："請求回送"(ICMP_ECHO)和"請求迴應"(ICMP_ECHOREPLY)。在Linux中定義如下：
#define ICMP_ECHO 0
#define ICMP_ECHOREPLY 8
這兩種ICMP類型報頭格式如下：
在Linux中ICMP數據結構( )定義如下：
u_char ih_pptr; /* ICMP_PARAMPROB */
struct in_addr ih_gwaddr; /* gateway address */
struct ih_idseq /* echo datagram */
/* ICMP_UNREACH_NEEDFRAG -- Path MTU Discovery (RFC1191) */
#define icmp_num_addrs icmp_hun.ih_rtradv.irt_num_addrs
#define icmp_wpa icmp_hun.ih_rtradv.irt_wpa
/* options and then 64 bits of data */
struct icmp_ra_addr id_radv;
#define icmp_data icmp_dun.id_data
使用宏定義令表達更簡潔,其中ICMP報頭爲８字節,數據報長度最大爲64K字節。
校驗和算法――這一算法稱爲網際校驗和算法，把被校驗的數據１６位進行累加，然後取反碼，若數據字節長度爲奇數，則數據尾部補一個字節的０以湊成偶數。此算法適用於IPv4、ICMPv4、IGMPV4、ICMPv6、UDP和TCP校驗和，更詳細的信息請參考RFC1071，校驗和字段爲上述ICMP數據結構的icmp_cksum變量。
標識符――用於唯一標識ICMP報文, 爲上述ICMP數據結構的icmp_id宏所指的變量。
順序號――ping命令的icmp_seq便由這裏讀出，代表ICMP報文的發送順序，爲上述ICMP數據結構的icmp_seq宏所指的變量。
ICMP數據報
Ping命令中需要顯示的信息，包括icmp_seq和ttl都已有實現的辦法，但還缺rtt往返時間。爲了實現這一功能，可利用ICMP數據報攜帶一個時間戳。使用以下函數生成時間戳：
其中timeval結構如下：
其中tv_sec爲秒數，tv_usec微秒數。在發送和接收報文時由gettimeofday分別生成兩個timeval結構，兩者之差即爲往返時間,即ICMP報文發送與接收的時間差，而timeval結構由ICMP數據報攜帶,tzp指針表示時區，一般都不使用，賦NULL值。
數據統計
系統自帶的ping命令當它接送完所有ICMP報文後，會對所有發送和所有接收的ICMP報文進行統計，從而計算ICMP報文丟失的比率。爲達此目的，定義兩個全局變量：接收計數器和發送計數器，用於記錄ICMP報文接受和發送數目。丟失數目=發送總數-接收總數，丟失比率=丟失數目/發送總數。
現給出模擬Ping程序功能的代碼如下：
* 作者:樑俊輝 *
* 時間:2001年10月 *
* 名稱：myping.c *
* 說明:本程序用於演示ping命令的實現原理 *
#define PACKET_SIZE 4096
#define MAX_WAIT_TIME 5
#define MAX_NO_PACKETS 3
char sendpacket[PACKET_SIZE];
char recvpacket[PACKET_SIZE];
{ printf("\n--------------------PING statistics-------------------\n");
/*校驗和算法*/
/*把ICMP報頭二進制數據以2字節爲單位累加起來*/
/*若ICMP報頭爲奇數個字節，會剩下最後一字節。把最後一個字節視爲一個2字節數據的高字節，這個2字節數據的低字節爲0，繼續累加*/
{ *(unsigned char *)( answer)=*(unsigned char *)w;
/*設置ICMP報頭*/
icmp- icmp_type=ICMP_ECHO;
packsize=8+datalen;
tval= (struct timeval *)icmp- icmp_data;
gettimeofday(tval,NULL); /*記錄發送時間*/
icmp- icmp_cksum=cal_chksum( (unsigned short *)icmp,packsize); /*校驗算法*/
/*發送三個ICMP報文*/
packetsize=pack(nsend); /*設置ICMP報頭*/
(struct sockaddr *) dest_addr,sizeof(dest_addr) ) 0 )
sleep(1); /*每隔一秒發送一個ICMP報文*/
/*接收所有ICMP報文*/
signal(SIGALRM,statistics);
{ alarm(MAX_WAIT_TIME);
{ if(errno==EINTR)continue;
gettimeofday( tvrecv,NULL); /*記錄接收時間*/
/*剝去ICMP報頭*/
iphdrlen=ip- ip_hl 2; /*求ip報頭長度,即ip報頭的長度標誌乘4*/
icmp=(struct icmp *)(buf+iphdrlen); /*越過ip報頭,指向ICMP報頭*/
len-=iphdrlen; /*ICMP報頭及ICMP數據報的總長度*/
if( len 8) /*小於ICMP報頭長度則不合理*/
{ printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
/*確保所接收的是我所發的的ICMP的迴應*/
if( (icmp- icmp_type==ICMP_ECHOREPLY) (icmp- icmp_id==pid) )
{ tvsend=(struct timeval *)icmp- icmp_data;
tv_sub( tvrecv,tvsend); /*接收和發送的時間差*/
rtt=tvrecv.tv_sec*1000+tvrecv.tv_usec/1000; /*以毫秒爲單位計算rtt*/
/*顯示相關信息*/
main(int argc,char *argv[])
int waittime=MAX_WAIT_TIME;
{ printf("usage:%s hostname/IP address\n",argv[0]);
if( (protocol=getprotobyname("icmp") )==NULL)
/*生成使用ICMP的原始套接字,這種套接字只有root才能生成*/
if( (sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol- p_proto) ) 0)
/* 回收root權限,設置當前用戶權限*/
/*擴大套接字接收緩衝區到50K這樣做主要爲了減小接收緩衝區溢出的
的可能性,若無意中ping一個廣播地址或多播地址,將會引來大量應答*/
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF, size,sizeof(size) );
dest_addr.sin_family=AF_INET;
/*判斷是主機名還是ip地址*/
if( inaddr=inet_addr(argv[1])==INADDR_NONE)
{ if((host=gethostbyname(argv[1]) )==NULL) /*是主機名*/
memcpy( (char *) dest_addr.sin_addr,host- h_addr,host- h_length);
else /*是ip地址*/
memcpy( (char *) dest_addr,(char *) inaddr,host- h_length);
/*獲取main的進程id,用於設置ICMP的標誌符*/
printf("PING %s(%s): %d bytes data in ICMP packets.\n",argv[1],
inet_ntoa(dest_addr.sin_addr),datalen);
send_packet(); /*發送所有ICMP報文*/
recv_packet(); /*接收所有ICMP報文*/
statistics(SIGALRM); /*進行統計*/
/*兩個timeval結構相減*/
特別注意
只有root用戶才能利用socket()函數生成原始套接字，要讓Linux的一般用戶能執行以上程序，需進行如下的特別操作：
用root登陸，編譯以上程序：gcc -o myping myping.c，其目的有二：一是編譯，二是讓myping屬於root用戶。
再執行chmod u+s myping，目的是把myping程序設成SUID的屬性。
退出root，用一般用戶登陸，執行./myping www.cn.ibm.com，有以下執行結果：
PING www.cn.ibm.com(202.95.2.148): 56 bytes data in ICMP packets.
--------------------PING statistics-------------------
由於myping.c是發送完所有的ICMP報文才去接收，因此第一、第二和第三個ICMP報文的往返時間依此是3秒，２秒，１秒，上述結果中rtt信息正反映這一事實。
作者簡介
樑俊輝,對Linux的網絡應用和程序有濃厚興趣,並且專注於這一方面研究，在IBM developerWorks――Linux專區上發表過《NEWT程序設計指南》一文。
ping命令是用來查看網絡上另一個主機系統的網絡連接是否正常的一個。ping命令的工作原理是：向網絡上的另一個主機系統發送ICMP報文，如果指定系統得到了報文，它將把報文一模一樣地傳回給發送者，這有點象潛水艇聲納系統中使用的發聲裝置。
例如，在終端上執行ping localhost命令將會看到以下結果:
PING localhost.localdomain (127.0.0.1) from 127.0.0.1 : 56(84) bytes of data.
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=0 ttl=255 time=112 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=1 ttl=255 time=79 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=2 ttl=255 time=78 usec
64 bytes from localhost.localdomain (127.0.0.1): icmp_seq=3 ttl=255 time=82 usec
--- localhost.localdomain ping statistics ---
4 packets transmitted, 4 packets received, 0% packet loss
由上面的執行結果可以看到，ping命令執行後顯示出被測試系統主機名和相應IP地址、返回給當前主機的ICMP報文順序號、ttl生存時間和往返時間rtt（單位是毫秒，即千分之一秒）。要寫一個模擬ping命令，這些信息有啓示作用。
要真正瞭解ping命令實現原理，就要了解ping命令所使用到的TCP/IP協議。
ICMP(Internet Control Message,網際控制報文協議)是爲網關和目標主機而提供的一種差錯控制機制，使它們在遇到差錯時能把錯誤報告給報文源發方。ICMP協議是IP層的一個協議，但是由於差錯報告在發送給報文源發方時可能也要經過若干子網，因此牽涉到路由選擇等問題，所以ICMP報文需通過IP協議來發送。ICMP數據報的數據發送前需要兩級封裝：首先添加ICMP報頭形成ICMP報文，再添加IP報頭形成IP數據報。如下圖所示
IP報頭
ICMP報頭
ICMP數據報
IP報頭格式
由於IP層協議是一種點對點的協議，而非端對端的協議，它提供無連接的數據報服務，沒有端口的概念，因此很少使用bind()和connect()函數，若有使用也只是用於設置IP地址。發送數據使用sendto()函數，接收數據使用recvfrom()函數。IP報頭格式如下圖：
在Linux中，IP報頭格式數據結構( )定義如下：
#if __BYTE_ORDER == __LITTLE_ENDIAN
#if __BYTE_ORDER == __BIG_ENDIAN
#define IP_RF 0x8000 /* reserved fragment flag */
#define IP_DF 0x4000 /* dont fragment flag */
#define IP_MF 0x2000 /* more fragments flag */
#define IP_OFFMASK 0x1fff /* mask for fragmenting bits */
struct in_addr ip_src, ip_dst; /* source and dest address */
其中ping程序只使用以下數據：
IP報頭長度IHL（Internet Header Length）――以４字節爲一個單位來記錄IP報頭的長度，是上述IP數據結構的ip_hl變量。
生存時間TTL（Time To Live）――以秒爲單位，指出IP數據報能在網絡上停留的最長時間，其值由發送方設定，並在經過路由的每一個節點時減一，當該值爲０時，數據報將被丟棄，是上述IP數據結構的ip_ttl變量。
ICMP報頭格式
ICMP報文分爲兩種，一是錯誤報告報文，二是查詢報文。每個ICMP報頭均包含類型、編碼和校驗和這三項內容，長度爲８位，８位和１６位，其餘選項則隨ICMP的功能不同而不同。
Ping命令只使用衆多ICMP報文中的兩種："請求回送"(ICMP_ECHO)和"請求迴應"(ICMP_ECHOREPLY)。在Linux中定義如下：
#define ICMP_ECHO 0
#define ICMP_ECHOREPLY 8
這兩種ICMP類型報頭格式如下：
在Linux中ICMP數據結構( )定義如下：
u_char ih_pptr; /* ICMP_PARAMPROB */
struct in_addr ih_gwaddr; /* gateway address */
struct ih_idseq /* echo datagram */
/* ICMP_UNREACH_NEEDFRAG -- Path MTU Discovery (RFC1191) */
#define icmp_num_addrs icmp_hun.ih_rtradv.irt_num_addrs
#define icmp_wpa icmp_hun.ih_rtradv.irt_wpa
/* options and then 64 bits of data */
struct icmp_ra_addr id_radv;
#define icmp_data icmp_dun.id_data
使用宏定義令表達更簡潔,其中ICMP報頭爲８字節,數據報長度最大爲64K字節。
校驗和算法――這一算法稱爲網際校驗和算法，把被校驗的數據１６位進行累加，然後取反碼，若數據字節長度爲奇數，則數據尾部補一個字節的０以湊成偶數。此算法適用於IPv4、ICMPv4、IGMPV4、ICMPv6、UDP和TCP校驗和，更詳細的信息請參考RFC1071，校驗和字段爲上述ICMP數據結構的icmp_cksum變量。
標識符――用於唯一標識ICMP報文, 爲上述ICMP數據結構的icmp_id宏所指的變量。
順序號――ping命令的icmp_seq便由這裏讀出，代表ICMP報文的發送順序，爲上述ICMP數據結構的icmp_seq宏所指的變量。
ICMP數據報
Ping命令中需要顯示的信息，包括icmp_seq和ttl都已有實現的辦法，但還缺rtt往返時間。爲了實現這一功能，可利用ICMP數據報攜帶一個時間戳。使用以下函數生成時間戳：
其中timeval結構如下：
其中tv_sec爲秒數，tv_usec微秒數。在發送和接收報文時由gettimeofday分別生成兩個timeval結構，兩者之差即爲往返時間,即ICMP報文發送與接收的時間差，而timeval結構由ICMP數據報攜帶,tzp指針表示時區，一般都不使用，賦NULL值。
數據統計
系統自帶的ping命令當它接送完所有ICMP報文後，會對所有發送和所有接收的ICMP報文進行統計，從而計算ICMP報文丟失的比率。爲達此目的，定義兩個全局變量：接收計數器和發送計數器，用於記錄ICMP報文接受和發送數目。丟失數目=發送總數-接收總數，丟失比率=丟失數目/發送總數。
現給出模擬Ping程序功能的代碼如下：
* 作者:樑俊輝 *
* 時間:2001年10月 *
* 名稱：myping.c *
* 說明:本程序用於演示ping命令的實現原理 *
#define PACKET_SIZE 4096
#define MAX_WAIT_TIME 5
#define MAX_NO_PACKETS 3
char sendpacket[PACKET_SIZE];
char recvpacket[PACKET_SIZE];
{ printf("\n--------------------PING statistics-------------------\n");
/*校驗和算法*/
/*把ICMP報頭二進制數據以2字節爲單位累加起來*/
/*若ICMP報頭爲奇數個字節，會剩下最後一字節。把最後一個字節視爲一個2字節數據的高字節，這個2字節數據的低字節爲0，繼續累加*/
{ *(unsigned char *)( answer)=*(unsigned char *)w;
/*設置ICMP報頭*/
icmp- icmp_type=ICMP_ECHO;
packsize=8+datalen;
tval= (struct timeval *)icmp- icmp_data;
gettimeofday(tval,NULL); /*記錄發送時間*/
icmp- icmp_cksum=cal_chksum( (unsigned short *)icmp,packsize); /*校驗算法*/
/*發送三個ICMP報文*/
packetsize=pack(nsend); /*設置ICMP報頭*/
(struct sockaddr *) dest_addr,sizeof(dest_addr) ) 0 )
sleep(1); /*每隔一秒發送一個ICMP報文*/
/*接收所有ICMP報文*/
signal(SIGALRM,statistics);
{ alarm(MAX_WAIT_TIME);
{ if(errno==EINTR)continue;
gettimeofday( tvrecv,NULL); /*記錄接收時間*/
/*剝去ICMP報頭*/
iphdrlen=ip- ip_hl 2; /*求ip報頭長度,即ip報頭的長度標誌乘4*/
icmp=(struct icmp *)(buf+iphdrlen); /*越過ip報頭,指向ICMP報頭*/
len-=iphdrlen; /*ICMP報頭及ICMP數據報的總長度*/
if( len 8) /*小於ICMP報頭長度則不合理*/
{ printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
/*確保所接收的是我所發的的ICMP的迴應*/
if( (icmp- icmp_type==ICMP_ECHOREPLY) (icmp- icmp_id==pid) )
{ tvsend=(struct timeval *)icmp- icmp_data;
tv_sub( tvrecv,tvsend); /*接收和發送的時間差*/
rtt=tvrecv.tv_sec*1000+tvrecv.tv_usec/1000; /*以毫秒爲單位計算rtt*/
/*顯示相關信息*/
main(int argc,char *argv[])
int waittime=MAX_WAIT_TIME;
{ printf("usage:%s hostname/IP address\n",argv[0]);
if( (protocol=getprotobyname("icmp") )==NULL)
/*生成使用ICMP的原始套接字,這種套接字只有root才能生成*/
if( (sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol- p_proto) ) 0)
/* 回收root權限,設置當前用戶權限*/
/*擴大套接字接收緩衝區到50K這樣做主要爲了減小接收緩衝區溢出的
的可能性,若無意中ping一個廣播地址或多播地址,將會引來大量應答*/
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF, size,sizeof(size) );
dest_addr.sin_family=AF_INET;
/*判斷是主機名還是ip地址*/
if( inaddr=inet_addr(argv[1])==INADDR_NONE)
{ if((host=gethostbyname(argv[1]) )==NULL) /*是主機名*/
memcpy( (char *) dest_addr.sin_addr,host- h_addr,host- h_length);
else /*是ip地址*/
memcpy( (char *) dest_addr,(char *) inaddr,host- h_length);
/*獲取main的進程id,用於設置ICMP的標誌符*/
printf("PING %s(%s): %d bytes data in ICMP packets.\n",argv[1],
inet_ntoa(dest_addr.sin_addr),datalen);
send_packet(); /*發送所有ICMP報文*/
recv_packet(); /*接收所有ICMP報文*/
statistics(SIGALRM); /*進行統計*/
/*兩個timeval結構相減*/
特別注意
只有root用戶才能利用socket()函數生成原始套接字，要讓Linux的一般用戶能執行以上程序，需進行如下的特別操作：
用root登陸，編譯以上程序：gcc -o myping myping.c，其目的有二：一是編譯，二是讓myping屬於root用戶。
再執行chmod u+s myping，目的是把myping程序設成SUID的屬性。
退出root，用一般用戶登陸，執行./myping www.cn.ibm.com，有以下執行結果：
PING www.cn.ibm.com(202.95.2.148): 56 bytes data in ICMP packets.
--------------------PING statistics-------------------
由於myping.c是發送完所有的ICMP報文才去接收，因此第一、第二和第三個ICMP報文的往返時間依此是3秒，２秒，１秒，上述結果中rtt信息正反映這一事實。
作者簡介
樑俊輝,對Linux的網絡應用和程序有濃厚興趣,並且專注於這一方面研究，在IBM developerWorks――Linux專區上發表過《NEWT程序設計指南》一文。
