大部分人用ping命令只是作为查看另一个系统的网络连接是否正常的一种简单方法。在这篇文章中，作者将介绍如何用C语言编写一个模拟ping命令功能的程序。
ping命令是用来查看网络上另一个主机系统的网络连接是否正常的一个。ping命令的工作原理是：向网络上的另一个主机系统发送ICMP报文，如果指定系统得到了报文，它将把报文一模一样地传回给发送者，这有点象潜水艇声纳系统中使用的发声装置。
例如，在终端上执行ping localhost命令将会看到以下结果:
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
由上面的执行结果可以看到，ping命令执行后显示出被测试系统主机名和相应IP地址、返回给当前主机的ICMP报文顺序号、ttl生存时间和往返时间rtt（单位是毫秒，即千分之一秒）。要写一个模拟ping命令，这些信息有启示作用。
要真正了解ping命令实现原理，就要了解ping命令所使用到的TCP/IP协议。
ICMP(Internet Control Message,网际控制报文协议)是为网关和目标主机而提供的一种差错控制机制，使它们在遇到差错时能把错误报告给报文源发方。ICMP协议是IP层的一个协议，但是由于差错报告在发送给报文源发方时可能也要经过若干子网，因此牵涉到路由选择等问题，所以ICMP报文需通过IP协议来发送。ICMP数据报的数据发送前需要两级封装：首先添加ICMP报头形成ICMP报文，再添加IP报头形成IP数据报。如下图所示
IP报头
ICMP报头
ICMP数据报
IP报头格式
由于IP层协议是一种点对点的协议，而非端对端的协议，它提供无连接的数据报服务，没有端口的概念，因此很少使用bind()和connect()函数，若有使用也只是用于设置IP地址。发送数据使用sendto()函数，接收数据使用recvfrom()函数。IP报头格式如下图：
在Linux中，IP报头格式数据结构( )定义如下：
#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程序只使用以下数据：
IP报头长度IHL（Internet Header Length）――以４字节为一个单位来记录IP报头的长度，是上述IP数据结构的ip_hl变量。
生存时间TTL（Time To Live）――以秒为单位，指出IP数据报能在网络上停留的最长时间，其值由发送方设定，并在经过路由的每一个节点时减一，当该值为０时，数据报将被丢弃，是上述IP数据结构的ip_ttl变量。
ICMP报头格式
ICMP报文分为两种，一是错误报告报文，二是查询报文。每个ICMP报头均包含类型、编码和校验和这三项内容，长度为８位，８位和１６位，其余选项则随ICMP的功能不同而不同。
Ping命令只使用众多ICMP报文中的两种："请求回送"(ICMP_ECHO)和"请求回应"(ICMP_ECHOREPLY)。在Linux中定义如下：
#define ICMP_ECHO 0
#define ICMP_ECHOREPLY 8
这两种ICMP类型报头格式如下：
在Linux中ICMP数据结构( )定义如下：
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
使用宏定义令表达更简洁,其中ICMP报头为８字节,数据报长度最大为64K字节。
校验和算法――这一算法称为网际校验和算法，把被校验的数据１６位进行累加，然后取反码，若数据字节长度为奇数，则数据尾部补一个字节的０以凑成偶数。此算法适用于IPv4、ICMPv4、IGMPV4、ICMPv6、UDP和TCP校验和，更详细的信息请参考RFC1071，校验和字段为上述ICMP数据结构的icmp_cksum变量。
标识符――用于唯一标识ICMP报文, 为上述ICMP数据结构的icmp_id宏所指的变量。
顺序号――ping命令的icmp_seq便由这里读出，代表ICMP报文的发送顺序，为上述ICMP数据结构的icmp_seq宏所指的变量。
ICMP数据报
Ping命令中需要显示的信息，包括icmp_seq和ttl都已有实现的办法，但还缺rtt往返时间。为了实现这一功能，可利用ICMP数据报携带一个时间戳。使用以下函数生成时间戳：
其中timeval结构如下：
其中tv_sec为秒数，tv_usec微秒数。在发送和接收报文时由gettimeofday分别生成两个timeval结构，两者之差即为往返时间,即ICMP报文发送与接收的时间差，而timeval结构由ICMP数据报携带,tzp指针表示时区，一般都不使用，赋NULL值。
数据统计
系统自带的ping命令当它接送完所有ICMP报文后，会对所有发送和所有接收的ICMP报文进行统计，从而计算ICMP报文丢失的比率。为达此目的，定义两个全局变量：接收计数器和发送计数器，用于记录ICMP报文接受和发送数目。丢失数目=发送总数-接收总数，丢失比率=丢失数目/发送总数。
现给出模拟Ping程序功能的代码如下：
* 作者:梁俊辉 *
* 时间:2001年10月 *
* 名称：myping.c *
* 说明:本程序用于演示ping命令的实现原理 *
#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");
/*校验和算法*/
/*把ICMP报头二进制数据以2字节为单位累加起来*/
/*若ICMP报头为奇数个字节，会剩下最后一字节。把最后一个字节视为一个2字节数据的高字节，这个2字节数据的低字节为0，继续累加*/
{ *(unsigned char *)( answer)=*(unsigned char *)w;
/*设置ICMP报头*/
icmp- icmp_type=ICMP_ECHO;
packsize=8+datalen;
tval= (struct timeval *)icmp- icmp_data;
gettimeofday(tval,NULL); /*记录发送时间*/
icmp- icmp_cksum=cal_chksum( (unsigned short *)icmp,packsize); /*校验算法*/
/*发送三个ICMP报文*/
packetsize=pack(nsend); /*设置ICMP报头*/
(struct sockaddr *) dest_addr,sizeof(dest_addr) ) 0 )
sleep(1); /*每隔一秒发送一个ICMP报文*/
/*接收所有ICMP报文*/
signal(SIGALRM,statistics);
{ alarm(MAX_WAIT_TIME);
{ if(errno==EINTR)continue;
gettimeofday( tvrecv,NULL); /*记录接收时间*/
/*剥去ICMP报头*/
iphdrlen=ip- ip_hl 2; /*求ip报头长度,即ip报头的长度标志乘4*/
icmp=(struct icmp *)(buf+iphdrlen); /*越过ip报头,指向ICMP报头*/
len-=iphdrlen; /*ICMP报头及ICMP数据报的总长度*/
if( len 8) /*小于ICMP报头长度则不合理*/
{ printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
/*确保所接收的是我所发的的ICMP的回应*/
if( (icmp- icmp_type==ICMP_ECHOREPLY) (icmp- icmp_id==pid) )
{ tvsend=(struct timeval *)icmp- icmp_data;
tv_sub( tvrecv,tvsend); /*接收和发送的时间差*/
rtt=tvrecv.tv_sec*1000+tvrecv.tv_usec/1000; /*以毫秒为单位计算rtt*/
/*显示相关信息*/
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,这种套接字只有root才能生成*/
if( (sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol- p_proto) ) 0)
/* 回收root权限,设置当前用户权限*/
/*扩大套接字接收缓冲区到50K这样做主要为了减小接收缓冲区溢出的
的可能性,若无意中ping一个广播地址或多播地址,将会引来大量应答*/
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF, size,sizeof(size) );
dest_addr.sin_family=AF_INET;
/*判断是主机名还是ip地址*/
if( inaddr=inet_addr(argv[1])==INADDR_NONE)
{ if((host=gethostbyname(argv[1]) )==NULL) /*是主机名*/
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);
/*获取main的进程id,用于设置ICMP的标志符*/
printf("PING %s(%s): %d bytes data in ICMP packets.\n",argv[1],
inet_ntoa(dest_addr.sin_addr),datalen);
send_packet(); /*发送所有ICMP报文*/
recv_packet(); /*接收所有ICMP报文*/
statistics(SIGALRM); /*进行统计*/
/*两个timeval结构相减*/
特别注意
只有root用户才能利用socket()函数生成原始套接字，要让Linux的一般用户能执行以上程序，需进行如下的特别操作：
用root登陆，编译以上程序：gcc -o myping myping.c，其目的有二：一是编译，二是让myping属于root用户。
再执行chmod u+s myping，目的是把myping程序设成SUID的属性。
退出root，用一般用户登陆，执行./myping www.cn.ibm.com，有以下执行结果：
PING www.cn.ibm.com(202.95.2.148): 56 bytes data in ICMP packets.
--------------------PING statistics-------------------
由于myping.c是发送完所有的ICMP报文才去接收，因此第一、第二和第三个ICMP报文的往返时间依此是3秒，２秒，１秒，上述结果中rtt信息正反映这一事实。
作者简介
梁俊辉,对Linux的网络应用和程序有浓厚兴趣,并且专注于这一方面研究，在IBM developerWorks――Linux专区上发表过《NEWT程序设计指南》一文。
ping命令是用来查看网络上另一个主机系统的网络连接是否正常的一个。ping命令的工作原理是：向网络上的另一个主机系统发送ICMP报文，如果指定系统得到了报文，它将把报文一模一样地传回给发送者，这有点象潜水艇声纳系统中使用的发声装置。
例如，在终端上执行ping localhost命令将会看到以下结果:
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
由上面的执行结果可以看到，ping命令执行后显示出被测试系统主机名和相应IP地址、返回给当前主机的ICMP报文顺序号、ttl生存时间和往返时间rtt（单位是毫秒，即千分之一秒）。要写一个模拟ping命令，这些信息有启示作用。
要真正了解ping命令实现原理，就要了解ping命令所使用到的TCP/IP协议。
ICMP(Internet Control Message,网际控制报文协议)是为网关和目标主机而提供的一种差错控制机制，使它们在遇到差错时能把错误报告给报文源发方。ICMP协议是IP层的一个协议，但是由于差错报告在发送给报文源发方时可能也要经过若干子网，因此牵涉到路由选择等问题，所以ICMP报文需通过IP协议来发送。ICMP数据报的数据发送前需要两级封装：首先添加ICMP报头形成ICMP报文，再添加IP报头形成IP数据报。如下图所示
IP报头
ICMP报头
ICMP数据报
IP报头格式
由于IP层协议是一种点对点的协议，而非端对端的协议，它提供无连接的数据报服务，没有端口的概念，因此很少使用bind()和connect()函数，若有使用也只是用于设置IP地址。发送数据使用sendto()函数，接收数据使用recvfrom()函数。IP报头格式如下图：
在Linux中，IP报头格式数据结构( )定义如下：
#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程序只使用以下数据：
IP报头长度IHL（Internet Header Length）――以４字节为一个单位来记录IP报头的长度，是上述IP数据结构的ip_hl变量。
生存时间TTL（Time To Live）――以秒为单位，指出IP数据报能在网络上停留的最长时间，其值由发送方设定，并在经过路由的每一个节点时减一，当该值为０时，数据报将被丢弃，是上述IP数据结构的ip_ttl变量。
ICMP报头格式
ICMP报文分为两种，一是错误报告报文，二是查询报文。每个ICMP报头均包含类型、编码和校验和这三项内容，长度为８位，８位和１６位，其余选项则随ICMP的功能不同而不同。
Ping命令只使用众多ICMP报文中的两种："请求回送"(ICMP_ECHO)和"请求回应"(ICMP_ECHOREPLY)。在Linux中定义如下：
#define ICMP_ECHO 0
#define ICMP_ECHOREPLY 8
这两种ICMP类型报头格式如下：
在Linux中ICMP数据结构( )定义如下：
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
使用宏定义令表达更简洁,其中ICMP报头为８字节,数据报长度最大为64K字节。
校验和算法――这一算法称为网际校验和算法，把被校验的数据１６位进行累加，然后取反码，若数据字节长度为奇数，则数据尾部补一个字节的０以凑成偶数。此算法适用于IPv4、ICMPv4、IGMPV4、ICMPv6、UDP和TCP校验和，更详细的信息请参考RFC1071，校验和字段为上述ICMP数据结构的icmp_cksum变量。
标识符――用于唯一标识ICMP报文, 为上述ICMP数据结构的icmp_id宏所指的变量。
顺序号――ping命令的icmp_seq便由这里读出，代表ICMP报文的发送顺序，为上述ICMP数据结构的icmp_seq宏所指的变量。
ICMP数据报
Ping命令中需要显示的信息，包括icmp_seq和ttl都已有实现的办法，但还缺rtt往返时间。为了实现这一功能，可利用ICMP数据报携带一个时间戳。使用以下函数生成时间戳：
其中timeval结构如下：
其中tv_sec为秒数，tv_usec微秒数。在发送和接收报文时由gettimeofday分别生成两个timeval结构，两者之差即为往返时间,即ICMP报文发送与接收的时间差，而timeval结构由ICMP数据报携带,tzp指针表示时区，一般都不使用，赋NULL值。
数据统计
系统自带的ping命令当它接送完所有ICMP报文后，会对所有发送和所有接收的ICMP报文进行统计，从而计算ICMP报文丢失的比率。为达此目的，定义两个全局变量：接收计数器和发送计数器，用于记录ICMP报文接受和发送数目。丢失数目=发送总数-接收总数，丢失比率=丢失数目/发送总数。
现给出模拟Ping程序功能的代码如下：
* 作者:梁俊辉 *
* 时间:2001年10月 *
* 名称：myping.c *
* 说明:本程序用于演示ping命令的实现原理 *
#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");
/*校验和算法*/
/*把ICMP报头二进制数据以2字节为单位累加起来*/
/*若ICMP报头为奇数个字节，会剩下最后一字节。把最后一个字节视为一个2字节数据的高字节，这个2字节数据的低字节为0，继续累加*/
{ *(unsigned char *)( answer)=*(unsigned char *)w;
/*设置ICMP报头*/
icmp- icmp_type=ICMP_ECHO;
packsize=8+datalen;
tval= (struct timeval *)icmp- icmp_data;
gettimeofday(tval,NULL); /*记录发送时间*/
icmp- icmp_cksum=cal_chksum( (unsigned short *)icmp,packsize); /*校验算法*/
/*发送三个ICMP报文*/
packetsize=pack(nsend); /*设置ICMP报头*/
(struct sockaddr *) dest_addr,sizeof(dest_addr) ) 0 )
sleep(1); /*每隔一秒发送一个ICMP报文*/
/*接收所有ICMP报文*/
signal(SIGALRM,statistics);
{ alarm(MAX_WAIT_TIME);
{ if(errno==EINTR)continue;
gettimeofday( tvrecv,NULL); /*记录接收时间*/
/*剥去ICMP报头*/
iphdrlen=ip- ip_hl 2; /*求ip报头长度,即ip报头的长度标志乘4*/
icmp=(struct icmp *)(buf+iphdrlen); /*越过ip报头,指向ICMP报头*/
len-=iphdrlen; /*ICMP报头及ICMP数据报的总长度*/
if( len 8) /*小于ICMP报头长度则不合理*/
{ printf("ICMP packets\'s length is less than 8\n");
/*确保所接收的是我所发的的ICMP的回应*/
if( (icmp- icmp_type==ICMP_ECHOREPLY) (icmp- icmp_id==pid) )
{ tvsend=(struct timeval *)icmp- icmp_data;
tv_sub( tvrecv,tvsend); /*接收和发送的时间差*/
rtt=tvrecv.tv_sec*1000+tvrecv.tv_usec/1000; /*以毫秒为单位计算rtt*/
/*显示相关信息*/
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,这种套接字只有root才能生成*/
if( (sockfd=socket(AF_INET,SOCK_RAW,protocol- p_proto) ) 0)
/* 回收root权限,设置当前用户权限*/
/*扩大套接字接收缓冲区到50K这样做主要为了减小接收缓冲区溢出的
的可能性,若无意中ping一个广播地址或多播地址,将会引来大量应答*/
setsockopt(sockfd,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF, size,sizeof(size) );
dest_addr.sin_family=AF_INET;
/*判断是主机名还是ip地址*/
if( inaddr=inet_addr(argv[1])==INADDR_NONE)
{ if((host=gethostbyname(argv[1]) )==NULL) /*是主机名*/
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);
/*获取main的进程id,用于设置ICMP的标志符*/
printf("PING %s(%s): %d bytes data in ICMP packets.\n",argv[1],
inet_ntoa(dest_addr.sin_addr),datalen);
send_packet(); /*发送所有ICMP报文*/
recv_packet(); /*接收所有ICMP报文*/
statistics(SIGALRM); /*进行统计*/
/*两个timeval结构相减*/
特别注意
只有root用户才能利用socket()函数生成原始套接字，要让Linux的一般用户能执行以上程序，需进行如下的特别操作：
用root登陆，编译以上程序：gcc -o myping myping.c，其目的有二：一是编译，二是让myping属于root用户。
再执行chmod u+s myping，目的是把myping程序设成SUID的属性。
退出root，用一般用户登陆，执行./myping www.cn.ibm.com，有以下执行结果：
PING www.cn.ibm.com(202.95.2.148): 56 bytes data in ICMP packets.
--------------------PING statistics-------------------
由于myping.c是发送完所有的ICMP报文才去接收，因此第一、第二和第三个ICMP报文的往返时间依此是3秒，２秒，１秒，上述结果中rtt信息正反映这一事实。
作者简介
梁俊辉,对Linux的网络应用和程序有浓厚兴趣,并且专注于这一方面研究，在IBM developerWorks――Linux专区上发表过《NEWT程序设计指南》一文。
