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第19课 Ping网络项目设计CHAPTER19第19课 Ping网络项目设计Ping命令是使用最为频繁的一个网络测试命令之一，它能够测试一个主机到另外一个主机间的网络是否连通。在微软的Windows系统内自带了一个Ping命令工具，它可以用于实现网络方面的多个连接。本课将介绍使用C语言开发一个类似Windows系统Ping工具的方法，并详细介绍其具体的实现流程，使读者体会C语言在网络编程领域中的应用。19.1 系统功能描述本课将通过一个简单的类似Windows系统的Ping工具实例，来说明C语言编写网络项目的基本方法。本实例的实现文件为“wangluo.c”，保存在“光盘:19”文件夹中。本实例系统的功能模块如下。1初始化模块用于初始化各个全局变量，为全局变量赋初始值，初始化Winsock，加载Winsock库。2控制模块此模块被其他的模块调用，实现获取参数、计算校验和、填充ICMP数据报文、释放占用资源和显示用户帮助。3数据解读模块用于解读接收到的ICMP报文和IP选项。4Ping测试模块此模块是本项目实例的核心模块，它可以调用其他的模块，最终实现Ping命令功能。上述模块的总体结构如图19-1所示。图19-1 项目功能模块结构19.2 系统总体设计经过19.1的系统构成功能分析后，即可根据各构成的功能模块进行相应的设计处理。本节将简要介绍此系统的总体设计过程。19.2.1 功能模块设计1系统运行流程此系统的运行流程如图19-2所示。图19-2 系统运行流程图在图19-2所示的运行流程中，将首先调用InitPing()函数来初始化各个全局变量，然后使用函数GetArgments来获取用户输入的参数，并对此参数进行检查。如果参数不正确，则显示帮助信息并结束程序；如果参数正确则执行Ping命令，如果Ping通则显示结果并释放所占用的资源，如果没有Ping通则显示错误信息，并释放所占用的资源。2GetArgments函数GetArgments函数用于获取用户输入的参数，在此获取的参数有如下3个。l -r：记录路由参数。l -n：记录条数。l Datasize：数据报大小。GetArgments函数的处理流程如下。l 判断上述参数的第一个字符，如果第一个字符是“-”，则认为是-r或-n中的一个，然后即可进行下一步判断。l 如果参数的第二个字符是数字，则判断此参数是记录的条数。l 如果第二个字符是“r”，则判断该参数是“-r”，用于记录路由。l 如果第一个参数是数字，则此参数是IP或Datasize，然后进行进一步判断。l 如果参数中不存在非数字字符，则此参数是Datasize；如果存在非数字字符，则此参数是IP地址。l 如果是其他情况，则为主机名。上述GetArgments函数的运行流程如图19-3所示。图19-3 GetArgments函数运行流程图3函数Ping处理函数Ping是本系统的核心，通过调用其他的函数来实现具体功能。函数Ping可以实现如下功能。l 创建套接字。l 设置路由选项。l 创建ICMP请求报文。l 接收ICMP应答报文。l 解读ICMP文件。19.2.2 数据结构设计实例中包含的数据结构如下。1IP报头结构体此处的IP报头结构体是_iphdr，具体代码如下。typedef struct _iphdr unsigned int h_len:4; unsigned int version:4; unsigned char tos; unsigned short total_len; unsigned short ident; unsigned short frag_flags; unsigned char ttl unsigned char proto; unsigned short checksum; unsigned int sourceIP; unsigned int destIP; IpHeader;在结构体_iphdr中，设置了需要的变量名，各变量的具体说明如下。l h_len:4：IP报头长度。l version:4：IP的版本号。l tos：服务的类型。l total_len：数据报总长度。l ident：唯一的标识符。l frag_flags：分段标志。l proto：协议类型（TCP、UDP等）。l checksum：校验和。l sourceIP：源IP地址。2ICMP报头结构体此处的ICMP报头结构体是_icmphdr，具体代码如下。typedef struct _icmphdr BYTE i_type;/*ICMP报文类型*/ BYTE i_code; /*该类型中的代码号*/ USHORT i_cksum; /*校验和*/ USHORT i_id; /*唯一的标识符*/ USHORT i_seq; /*序列号*/ ULONG timestamp; /*时间戳*/ IcmpHeader;i_type结构体表示ICMP报文类型，i_code表示该类型中的代码号，i_cksum表示校验和，颜色值可以根据需要而设置，i_id表示唯一的标识符，i_seq表示序列号，timestamp表示时间戳。3IP选项结构体此处的IP选项结构体是_ipoptionhdr，具体代码如下。typedef struct _ipoptionhdrunsigned char code; /*选项类型*/ unsigned char len; /*选项头长度*/ unsigned char ptr; /*地址偏移长度*/unsigned long addr9; /*记录的IP地址列表*/ IpOptionHeader;19.2.3 构成函数介绍此实例中各主要构成函数的基本信息如下。1函数InitPing函数InitPing用于初始化所需要的变量，具体格式如下。void InitPing()2函数UserHelp函数UserHelp用于显示用户的帮助信息，具体格式如下。void UserHelp()3函数GetArgments函数GetArgments用于获取用户提交的处理参数，具体格式如下。void GetArgments(int argc,char* argv)4函数CheckSum函数CheckSum用于计算校验和。首先把数据报头中的校验和字段设置为0，然后对首部中的每个16bit进行二进制反码求和，将结果存放在校验和字段中，具体格式如下。USHORT CheckSum(USHORT *buffer, int size)5函数FillICMPData函数FillICMPData用于填充ICMP数据报字段，其中参数“icmp_data”表示ICMP数据，“datasize”表示ICMP报文大小，具体格式如下。void FillICMPData(char *icmp_data, int datasize)6函数FreeRes函数FreeRes用于释放所占用的内存资源，具体格式如下。void FreeRes()7函数DecodeIPOptions函数DecodeIPOptions用于解读IP选项头，从中读取从源主机到目标主机经过的路由，并输出路由信息，具体格式如下。void DecodeIPOptions(char *buf, int bytes)8函数DecodeICMPHeader函数DecodeICMPHeader用于解读ICMP的报文信息，其中参数“buf”表示存放接收到的ICMP报文的缓冲区，“bytes”表示接收到的字节数，“from”表示发送ICMP回显应答的主机IP地址，具体格式如下。void DecodeICMPHeader(char *buf, int bytes, SOCKADDR_IN *from)9函数PingTest函数PingTest用于进行Ping操作处理，具体格式如下。void PingTest(int timeout)19.3 系统具体实现经过了前面的功能模块分析和系统总体设计后，用户就可以在此基础上进行程序设计了。本节将详细介绍此项目实例的具体实现过程。19.3.1 预处理程序预处理包括库文件导入、头文件加载、定义常量和全局变量，以及定义数据结构。本项目实例需要导入的库文件是“ws2_32.lib”，另外还需要加载头文件“winsock2.h”和“ws2tcpip.h”。注意：ws2_32.lib是调用WinSock2函数时需要链接的库文件，即调用winsock.dll时动态连接库，加入此文件后，就不必显示调用了。具体代码如下所示。/*导入库文件*/#pragma comment( lib, ws2_32.lib )/*加载头文件*/#include #include #include #include #include /*定义常量*/*表示要记录路由*/#define IP_RECORD_ROUTE 0x7/*默认数据报大小*/#define DEF_PACKET_SIZE 32 /*最大的ICMP数据报大小*/#define MAX_PACKET 1024 /*最大IP头长度*/#define MAX_IP_HDR_SIZE 60 /*ICMP报文类型，回显请求*/ #define ICMP_ECHO 8/*ICMP报文类型，回显应答*/ #define ICMP_ECHOREPLY 0/*最小的ICMP数据报大小*/#define ICMP_MIN 8/*自定义函数原型*/void InitPing();void UserHelp();void GetArgments(int argc, char* argv); USHORT CheckSum(USHORT *buffer, int size);void FillICMPData(char *icmp_data, int datasize);void FreeRes();void DecodeIPOptions(char *buf, int bytes);void DecodeICMPHeader(char *buf, int bytes, SOCKADDR_IN* from);void PingTest(int timeout);/*IP报头字段数据结构*/typedef struct _iphdr unsigned int h_len:4;/*IP报头长度*/ unsigned int version:4;/*IP的版本号*/ unsigned char tos;/*服务的类型*/ unsigned short total_len;/*数据报总长度*/ unsigned short ident; /*唯一的标识符*/ unsigned short frag_flags; /*分段标志*/ unsigned char ttl; /*生存期*/ unsigned char proto; /*协议类型(TCP、UDP等)*/ unsigned short checksum; /*校验和*/ unsigned int sourceIP; /*源IP地址*/ unsigned int destIP; /*目的IP地址*/ IpHeader;/*ICMP报头字段数据结构*/typedef struct _icmphdr BYTE i_type; /*ICMP报文类型*/ BYTE i_code; /*该类型中的代码号*/ USHORT i_cksum; /*校验和*/ USHORT i_id; /*唯一的标识符*/ USHORT i_seq; /*序列号*/ ULONG timestamp; /*时间戳*/ IcmpHeader;/*IP选项头字段数据结构*/typedef struct _ipoptionhdr unsigned char code; /*选项类型*/ unsigned char len; /*选项头长度*/ unsigned char ptr; /*地址偏移长度*/unsigned long addr9; /*记录的IP地址列表*/ IpOptionHeader;/*定义全局变量*/SOCKET m_socket;IpOptionHeader IpOption;SOCKADDR_IN DestAddr;SOCKADDR_IN SourceAddr;char *icmp_data;char *recvbuf;USHORT seq_no ;char *lpdest;int datasize;BOOL RecordFlag;double PacketNum;BOOL SucessFlag;19.3.2 初始化处理初始化需要处理多个全局变量，并通过WSAStartup函数来加载Winsock库。在此需要对icmp_data、recvbuf和lpdest都赋值为NULL，对seq_no赋值为0，对RecordFlag赋值为FALSE，对datasize赋值为DEF_PACKET_SIZE，此处表示默认的数据报大小为32。另外，还要对PacketNum赋值为5，5是默认记录，即默认发送5条ICMP回显请求；对SuccessFlag赋值为FALSE，在程序完全成功执行后才会赋值为True。函数WSAStartup实现对Winsock的加载，通过宏MAKEWORD来获取准备加载的Winsock版本。具体实现代码如下所示。/*初始化变量函数*/ void InitPing() WSADATA wsaData; icmp_data = NULL; seq_no = 0; recvbuf = NULL; RecordFlag = FALSE; lpdest = NULL; datasize = DEF_PACKET_SIZE; PacketNum = 5; SucessFlag = FALSE; /*Winsock初始化*/ if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0) /*如果初始化不成功则报错，GetLastError()返回发生的错误信息*/printf(WSAStartup() failed: %dn, GetLastError(); return ; m_socket = INVALID_SOCKET;19.3.3 控制模块此处控制模块的功能是为其他模块提供调用函数，它能够实现参数获取、校验处理、计算处理、ICMP数据填充、释放占用资源和显示用户帮助等功能。具体实现代码如下所示。/*显示信息函数*/void UserHelp()printf(UserHelp: ping -r data sizen); printf(-rrecord routen);printf(-nrecord amountn); printf(hostremote machine to pingn); printf(datasizecan be up to 1KBn); ExitProcess(-1); /*获取ping选项函数*/void GetArgments(int argc,char* argv) int i; int j; int exp; int len; int m;/*如果没有指定目的地地址和任何选项*/ if(argc = 1)printf(nPlease specify the destination IP address and the ping option as follow!n); UserHelp();for(i = 1; i =1;j-,exp+)/*根据argvij中的ASCII值计算要获取的记录条数(十进制数)*/PacketNum += (double)(argvij-48)*pow(10,exp);elseswitch (tolower(argvi1)/*选项指示要获取路由信息*/case r: RecordFlag = TRUE;break;/*没有按要求提供选项*/default:UserHelp();break; /*参数是数据报大小或者IP地址*/ else if (isdigit(argvi0)for(m=1;m 1) cksum += *buffer+; size -= sizeof(USHORT); if (size) cksum += *(UCHAR*)buffer; /*对每个16bit进行二进制反码求和*/ cksum = (cksum 16) + (cksum & 0xffff); cksum += (cksum 16); return (USHORT)(cksum);/*填充ICMP数据报字段函数*/void FillICMPData(char *icmp_data, int datasize) IcmpHeader *icmp_hdr = NULL; char *datapart = NULL; icmp_hdr = (IcmpHeader*)icmp_data; /*ICMP报文类型设置为回显请求*/ icmp_hdr-i_type = ICMP_ECHO; icmp_hdr-i_code = 0; /*获取当前进程IP作为标识符*/ icmp_hdr-i_id = (USHORT)GetCurrentProcessId(); icmp_hdr-i_cksum = 0; icmp_hdr-i_seq = 0;datapart = icmp_data + sizeof(IcmpHeader);/*以数字0填充剩余空间*/memset(datapart,0,datasize-sizeof(IcmpHeader);/*释放资源函数*/void FreeRes()/*关闭创建的套接字*/if (m_socket != INVALID_SOCKET) closesocket(m_socket); /*释放分配的内存*/ HeapFree(GetProcessHeap(), 0, recvbuf); HeapFree(GetProcessHeap(), 0, icmp_data); /*注销WSAStartup()调用*/ WSACleanup(); return ;19.3.4 数据报解读处理此处控制模块的功能是解读IP选项和ICMP报文，当主机接收到目的主机返回的ICMP回显应答后，将会调用ICMP解读函数来解读ICMP报文，并且ICMP解读函数将调用IP选项解读函数来实现IP路由输出。具体实现代码如下所示。/*解读IP选项头函数*/void DecodeIPOptions(char *buf, int bytes)IpOptionHeader *ipopt = NULL; IN_ADDR inaddr; int i; HOSTENT *host = NULL; /*获取路由信息的地址入口*/ ipopt = (IpOptionHeader *)(buf + 20); printf(RR: ); for(i = 0; i ptr / 4) - 1; i+) inaddr.S_un.S_addr = ipopt-addri; if (i != 0) printf( ); /*根据IP地址获取主机名*/ host = gethostbyaddr(char *)&inaddr.S_un.S_addr,sizeof(inaddr.S_un.S_addr), AF_INET); /*如果获取到了主机名，则输出主机名*/if (host) printf(%-15s) %sn, inet_ntoa(inaddr), host-h_name); /*否则输出IP地址*/else printf(%-15s)n, inet_ntoa(inaddr); return;/*解读ICMP报头函数*/void DecodeICMPHeader(char *buf, int bytes, SOCKADDR_IN *from)IpHeader *iphdr = NULL; IcmpHeader *icmphdr = NULL; unsigned short iphdrlen; DWORD tick; static int icmpcount = 0; iphdr = (IpHeader *)buf; /*计算IP报头的长度*/ iphdrlen = iphdr-h_len * 4; tick = GetTickCount(); /*如果IP报头的长度为最大长度(基本长度是20字节)，则认为有IP选项，需要解读IP选项*/ if (iphdrlen = MAX_IP_HDR_SIZE) & (!icmpcount)/*解读IP选项，即路由信息*/ DecodeIPOptions(buf, bytes); if (bytes sin_addr); icmphdr = (IcmpHeader*)(buf + iphdrlen); /*如果收到的不是回显应答报文，则报错*/ if (icmphdr-i_type != ICMP_ECHOREPLY) printf(nonecho type %d recvdn, icmphdr-i_type); return; /*核实收到的ID号与发送的ID号是否一致*/ if (icmphdr-i_id != (USHORT)GetCurrentProcessId() printf(someone elses packet!n); return ; SucessFlag = TRUE; /*输出记录信息*/ printf(%d bytes from %s:, bytes, inet_ntoa(from-sin_addr); printf( icmp_seq = %d. , icmphdr-i_seq); printf( time: %d ms, tick - icmphdr-timestamp); printf(n); icmpcount+; return;19.3.5 Ping测试处理此模块是整个项目的核心，其功能是进行Ping操作处理。当整个项目初始化处理完成后，根据用户提交的参数，即可进行Ping处理。具体实现代码如下所示。/*ping函数*/void PingTest(int timeout) int ret;int readNum;int fromlen;struct hostent *hp = NULL;/*创建原始套接字，该套接字用于ICMP*/m_socket = WSASocket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP, NULL, 0,WSA_FLAG_OVERLAPPED); /*如果套接字创建不成功*/ if (m_socket = INVALID_SOCKET) printf(WSASocket() failed: %dn, WSAGetLastError(); return ; /*若要求记录路由选项*/ if (RecordFlag) /*IP选项每个字段用0初始化*/ ZeroMemory(&IpOption, sizeof(IpOption);/*为每个ICMP包设置路由选项*/ IpOption.code = IP_RECORD_ROUTE; IpOption.ptr= 4; IpOption.len= 39; ret = setsockopt(m_socket, IPPROTO_IP, IP_OPTIONS,(char *)&IpOption, sizeof(IpOption); if (ret = SOCKET_ERROR) printf(setsockopt(IP_OPTIONS) failed: %dn,WSAGetLastError(); /*设置接收的超时值*/ readNum = setsockopt(m_socket, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO,(char*)&timeout, sizeof(timeout); if(readNum = SOCKET_ERROR) printf(setsockopt(SO_RCVTIMEO) failed: %dn,WSAGetLastError(); return ; /*设置发送的超时值*/ timeout = 1000; readNum = setsockopt(m_socket, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO,(char*)&timeout, sizeof(timeout); if (readNum = SOCKET_ERROR) printf(setsockopt(SO_SNDTIMEO) failed: %dn,WSAGetLastError(); return ; /*用0初始化目的地地址*/ memset(&DestAddr, 0, sizeof(DestAddr);/*设置地址族，这里表示使用IP地址族*/DestAddr.sin_family = AF_INET; if (DestAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(lpdest) = INADDR_NONE) /*名字解析，根据主机名获取IP地址*/if (hp = gethostbyname(lpdest) != NULL) /*将获取到的IP值赋给目的地地址中的相应字段*/memcpy(&(DestAddr.sin_addr), hp-h_addr, hp-h_length);/*将获取到的地址逐值赋给目的地地址中的相应字段*/ DestAddr.sin_family = hp-h_addrtype; printf(DestAddr.sin_addr = %sn, inet_ntoa(DestAddr.sin_addr); /*获取不成功*/else printf(gethostbyname() failed: %dn,WSAGetLastError(); return ; /*数据报文大小需要包含ICMP报头*/ datasize += sizeof(IcmpHeader); /*根据默认堆句柄，从堆中分配MAX_PACKET内存块，新分配内存的内容将被初始化为0*/ icmp_data =(char*) HeapAlloc(GetProcessHeap(), HEAP_ZERO_MEMORY,MAX_PACKET); recvbuf =(char*) HeapAlloc(GetProcessHeap(), HEAP_ZERO_MEMORY,MAX_PACKET); /*如果分配内存不成功*/ if (!icmp_data) printf(HeapAlloc() failed: %dn, GetLastError(); return ; /* 创建ICMP报文*/ memset(icmp_data,0,MAX_PACKET); FillICMPData(icmp_data,datasize); while(1) static int nCount = 0; int writeNum; /*超过指定的记录条数则退出*/ if (nCount+ = PacketNum) break; /*计算校验和前要把校验和字段设置为0*/ (IcmpHeader*)icmp_data)-i_cksum = 0; /*获取操作系统启动到现在所经过的毫秒数，设置时间戳*/ (IcmpHeader*)icmp_data)-timestamp = GetTickCount(); /*设置序列号*/ (IcmpHeader*)icmp_data)-i_seq = seq_no+; /*计算校验和*/ (IcmpHeader*)icmp_data)-i_ck