Ping程序设计(c语言课程设计).doc

ping程序设计ping命令是使用频率极高的一个网络测试命令，用以测试从一个主机到另一个主机间的网络上否可达。windows自带的ping命令具有强大的功能，它有很多选项用于实现不同的测试目的。本章模仿windows的ping命令，用c语言实现了一个简单的命令。本章着重讲述ping命令的实现原理和c语言的网络编程方法。读者可以在本章的基础上，对本章实现的ping命令进行扩展，开发出功能更强大、更完善的ping命令，并进一步掌握网络编程的方法。9.1 设计目的本章通过设计Ping程序，讲解Ping程序的实现原理，并初步讲解了c语言网络编程技术。本章涉及很多网络编程函数和编程技巧。包括库文件的导入；winsock的初始化、注销；socket的创建、关闭；设置socket选项；根据主机名获取IP地址； 从堆中分配一定数量的空间、释放从堆中分配的空间；获取当前进程ID号；数据报的发送；数据报的接等。 通过本程序的训练，使读者对网络编程有一定的了解，掌握Ping程序的设计方法，掌握网络编程的方法和技巧，从而编写出功能更强大的程序。9.2功能描述本章用 c 语言实现的 ping命令，能用于测试一个主机到另一个主机间的联通情况，程序还提供了几个选项以实现不同的功能。（1）实现ping功能。程序能实现基本的ping操作，发送ICMP回显请求报文，接收显应答报文。（2）能记录路由。程序提供了“-r”选项，用以记录从源主机到目的主机的路由。（3）能输出指定条数的记录。程序提供了“-n”选项，用以输出指定条数的记录。（4）能按照指定大小输出每条记录。程序提供了“datasize”选项，用以指定输出的数据报的大小。（5）能输出用户帮助。程序提供了用户帮助，显示程序提供的选项以及选项格式等。9.3 总体设计9.3.1 功能模块设计1. 功能模块图本系统共有 4 个模块，分别是初始化模块、功能控制模块、数据控制模块、数据报解读模块和ping测试模块，如图9.1所示。各模块功能描述如下。Ping程序设计初始化模块数据报解读模块功能控制模块Ping测试模块图 9.1 系统模块图(1) 初始化模块。该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，加载库。(2)功能控制模块。该模块是被其它模块调用，其功能包括获取参数、计算校验和填充数据报文、释放占用资源和显示用户帮助。(3)数据报解读模块。该模块用于解读接收到的报文和选项。(4)测试模块。该模块是本程序的核心模块，调用其他模块实现其功能，主要是实现的功能。 2系统流程图系统执行的流程图9.2所示。程序首先调用IniPing()函数初始化各全局变量，然后GetArgments()函数获取用户输入的参数，检查用户输入的参数，如果参数不正确或者没有输入参数，则显示用户帮助信息(User help )，并结束程序；如果参数正确，则对指定目的地执行Ping命令，如果Ping通，则显示Ping结果并释放占用资源，如果没有Ping通，则报告错误信息，并释放占用资源。开始初始化个变量获取参数信息输入参数是否正确？Ping目的地Ping成功？输出Ping结果释放占用资源结束输出错误信息显示帮助信息图9.2 系统流程图3.参数获取（GetArgments()函数）流程图获取的参数包括“-r”（记录路由）、“-n”（记录条数程序，任意的整数）和datasize(数据报大小)。程序首先判断每一个参数的第一字符，如果第一个字符是“-”（短横线），则认为是“-r”或者“-n”中的一个，然后作进一步判断。如果该参数的第二个字符是数字，则判断该参数为记录的条数，如果该参数的第二个字符是“r”，则判断该参数为“-r”， 用于记录路由；如果参数的第一个字符是数字，则认为 参数是IP地址；或者datasize,然后作进一步的判断。如果该参数中不存在非数字的字符， 则判断该参数为datasize；如果存在非数 字的字符，则判断该参数为IP地址；其他情况则判断为主机名。参数获取的流程如图9.3所示。开始Argc=1?检查第一i个参数的第一个字符是“-”？检查第一i个参数的第二个字符是数字？该参数表示要获取的记录数转换成十进制记录到全局变量packetNUM还有参数？结束是数字？该参数中有非数字字符？该参数表示IP地址该参数表示数据报大小该参数表示主机名是“r”?显示用户帮助设标志位RecordFlag为tureI=i+1记录到变量Lpdest中记录到变量Datasize中记录到变量Lpdest中图9.3 参数获取流程图4.ping()函数流程图ping()函数是本程序的核心部分它调用其他模块的函数来实现，其主要步骤包括创建接字，设置路由选项（如果需要的话）、设置接收和发送超时值、名字解析（如果需要的话）、分配内存、创建ICMP报文、发送ICMP请求报文、接收ICMP应答报文和解读ICMP报文。其执行流程如图9.4所示。开始创建原始套接字创建成功？记录路由？设置接收和发送超时值为每个ICMP设置路由选项设置成功？名字解析？根据主机名获取各种参数获取成功？设置目的地址各项字段根据ICMP报文大小分配内存分配成功创建ICMP报文发送ICMP请求发送成功？超时发送？输出超时发送接收ICMP应答输出失败信息 接收成功？超时接收？输出失败信息输出超时接收读取ICMP数据报文记录数达到指定值？图9.4 Ping 函数流程图 9.3.2数据结构设计 本程序定义了3个结构体：-iphdr、-icmphdr、和-ipotionhdr，分别用于存放IP报头信息、ICM P报头信息和IP路由选项信息。1. 定义IP报头结构体IP数据报头格式如下图： 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 chor proto;Unsigned short checksum;Unsigned int sourceIP;Unsigned int destIP; IpHeader; 其中各字段表示意义如下。 h-len:4 : 表示IP报头长度，首部长度指的是首部占32bit字的数目，包括任何选项。由于它是一个4bit 字段，因此首部最长为60个字节，不包括任何选项的IP报头是20个字节。 Version:4: 表示IP的版本号，这里表示Ipv4.。 Top: 表示服务的类型，可以表示最小时延，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。 Total len: 整个IP数据报的总长度。 Ident: 唯一的标识符，标识主机发送的每一份数据报。 Frag-flags: 分段标志，表示过长的数据报是否要分段。 Ttl: 生存期，表示数据报可以经过的最多路由器数。 Proto: 协议类型（TCP、UDP等）。 Checksum: 校验和。 sourceIP: 源IP地址。destIP: 目的IP地址。2. 定义报头结构体ICMP（网间网控制报文协议）协议应用广泛。在此仅给出最常见的回应请求与应答报文格式，用户命令ping便是利用此报文来测试信宿机的可到达性。报文格式如下图所示： 类型0 为回应应答报文，8 为回应请求报文。整个数据包均参与检验。注意ICMP封装在IP数据包里传送。Typedef struct icmphdr BYTE i_type; BYTE i_code : USHORT i_cksum; USHORT i_id; USHORT i_seq; ULONG timestamp; IcmpHeader; 其中各字段表示意义如下。 I_type : 报文类型。I_code : 该类型中的代码号，一种ICMP 报文的类型号和该类型中的代码号共同决定。、 I_cksum: 校验和。 I_seq: 序列号，序列号从0开始，每发送一次新的回显请求就加1. Timestamp: 时间。3. 定义IP 选项结构体IP首部中有4bit用于表示首部长度，其单位是4个字节，所以，IP首部的最大长度是15*4=60字节，而IP固定首部的长度是20字节，所以一个IP首部最大允许有40字节长度的选项。 IP选项的一般格式是1个字节的代码(code)，一个字节的长度(len)，一个字节的指针(ptr)，指针的值从1开始计数，指向IP选项的内容，一 般其值为4(跳过前面3字节的code, len, ptr)，长度包括前面3字节在内的整个IP选项，最大值为40。 代码表示不同类型的IP选项，其可能的取值有： IPOPT_END，值为0，表示IP首部的选项到此结束。该选项就一个code，总长度为1。 IPOPT_NOOP，值为1，表示无操作。用作占位符，因为IP选项的总长度需要为4的整数倍。 IPOPT_SEC，值为0x82,意义暂不明，从代码来看，并未对其作任何实际操作。 IPOPT_SID，值为0x88，意义暂不明，从代码来看，未对其作任何实际操作。 IPOPT_LSRR，值为0x83，表示宽松的源站路由选项，该选项ptr指向的位置开始是一组表示IP地址的32位无符号数，指明本机上该 socket发送的数据报必须经过这一组IP地址中的每一个，但是任意两个地址之间还可以通过其他路由器(这就是宽松的含义)。 IPOPT_SSRR，值为0x89，表示严格的源站路由选项，即IP地址列表指明数据报必须采用的精确路由。 IPOPT_TIMESTAMP，值为0x44，表示IP时间戳选项，该选项除了前三个字节为code，len，ptr，第四字节前4bit表示溢出字段 (OF)，后4bit表示标志字段(FL)，FL有三个可能的取值IPOPT_TS_TSONLY(0)，表示只记录时间戳； IPOPT_TS_TSANDADDR(1)，表示每个路由器都记录它的IP地址和时间戳，这样，在列表中就只能存放4对地址和时间戳； IPOPT_TS_PRESPEC(2)，表示发送端对选项列表进行初始化，存放了4个IP地址和4个取值为0的时间戳值。只有当列表中的下一个IP地址 与当前路由器地址相匹配时，才记录它的时间戳。由于IP选项的长度有限，当路由器由于没有空间而不能增加时间戳选项时，它将增加溢出字段(OF)的值。 IPOPT_RR，值为0x07，表示IP记录路由选项，其格式跟IPOPT_LSRR相同，每一个路由器都把自己的出口IP地址记录到该选项的IP清单中，以达到记录路由的目的。ping程序的-R选项支持记录路由的功能。 IPOPT_RA，值为0x94，具体用途暂不明，跟路由和转发相关。 Linux内核用结构体struct ip_options表示IP选项，其定义如下： struct ip_options _u32 faddr; unsigned char optlen; unsigned char srr; unsigned char rr; unsigned char ts; unsigned char is_setbyuser:1, is_data:1, is_strictroute:1, srr_is_hit:1, is_changed:1, rr_needaddr:1, ts_needtime:1, ts_needaddr:1; unsigned char router_alert; unsigned char _pad1; unsigned char _pad2; unsigned char _data0; ; faddr用于在IPOPT_LSRR和IPOPT_SSRR选项时，记录下一站的IP地址，optlen是IP首部中选项所占据的长度，srr记录 IPOPT_LSRR或IPOPT_SSRR选项在IP首部中的偏移量(选项的第一个字节的地址减去IP首部的第一个字节的地址)，rr用于记录 IPOPT_RR选项在IP首部中的偏移量，ts用于记录IPOPT_TIMESTAMP选项在IP首部中的偏移量。 接下来是一些标志位，is_setbyuser表示该IP选项是应用层通过setsockopt设置的，is_data表示该IP选项拥有数据，选项数据存放在_data中。is_strictroute表示该选项是IPOPT_SSRR，而不是IPOPT_LSRR。 srr_is_hit跟源站路由选项相关，对IP选项作过任何的修改，需要把is_changed置1，rr_needaddr表示有IPOPT_RR选 项，需要记录IP地址，ts_needtime表示IPOPT_TIMESTAMP选项需要记录时间戳，ts_needaddr表示 IPOPT_TIMESTAMP选项需要记录IP地址。router_alert用于IPOPT_RA选项。Typedef struct _ipoptionhdr Unsigned char code; /报文类型 Unsigned char len; Unsigned char ptr; Unsigned long addr9; IcmpHeader;其中各字段表示意义如下。Code: 指明IP 选项类型，对于路由记录选项，它的值是7。Len: 选项头长度。Ptr: 地址指针字段，是一个基于1的指针，指向存放下一个IP地址的位置。addr9: 记录的Ip地址列表，由于IP首部中选项的空间有限，所以可以记录的Ip地址最多是9个。9.33 函数功能描述1） IntPing()函数原型：void IntPing()IntPing()函数用于初始化ping 所需的全局变量，为各个变量赋初始值。2)userHelp()函数原型：void userHelp() userHelp()函数用于显示用户帮助信息。当程序检查到参数错误或者没有必要的参数（如主机IP地址或者主机名）时，则会调用此函数显示帮助信息。3) GetArgments()函数原型：void GetArgments(int argc, char*argv)GetArgments()函数用于获取用户提交的参数。其中argc 表示获取的参数个数，argv 用于存储获取的参数，这两个形参和主函数中的形参表示的意义一样的。4)checkSum()函数原型：USHORT checkSum(USHORT *buffer,int size)checkSum()函数用于计算校验和。计算过程是首先把数据报头中的校验和字段设置为0，然后对首部中每个16bit 进行二字段进制反码求和（整个首部看成是由一串16bit的字组成），结果存在校验和字段中。 其中buffer 用于存放ICMP数据，size表示ICMP报文大小。5)FillCMPData()函数原型：void FillCMPData()FillCMPData()函数用于填充ICMP数据报中各个字段。其中icmp_data 表示ICMP数据，datasize 表示ICMP报文大小。6) reeRes()函数原型：void reeRes()reeRes()函数用于释放占用的资源，包括关闭初始化socket 调用的函数的、关闭创建的socket和释放分配的内存等。7)DecodeIPOptions()函数原型：void DecodeIPOptions()DecodeIPOptions()函数用于解读IP选项，从中读出从源主机到目的主机经过的路由，并输出路由信息。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。8)DecodelICMPHeader()函数原型：void DecodelICMPHeader(char*buf,int bytes,SOCKADDR_IN*from)DecodelICMPHeader()函数用于解读ICMP报文信息。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。9)PingTest() 函数原型：void PingTest(int timeout)PingTest()函数用于进行Ping操作。其中timeout表示设定的发送超时值。9.4 程序实现9.1.4 源码分析1. 程序预处理/*导入库文件*/#pragma comment( lib, ws2_32.lib ) /这是链接API相关连的Ws2_32.lib静态库/*加载头文件*/#include #include #include #include #include /*定义常量*/#define IP_RECORD_ROUTE 0x7 /*表示要记录路由*/#define DEF_PACKET_SIZE 32 /*默认数据报大小*/#define MAX_PACKET 1024 /*最大的ICMP数据报大小*/#define MAX_IP_HDR_SIZE 60 /*最大IP头长度*/ #define ICMP_ECHO 8 /*ICMP报文类型，回显请求*/#define ICMP_ECHOREPLY 0 /*ICMP报文类型，回显应答*/#define ICMP_MIN 8 /*最小的ICMP数据报大小*/*自定义函数原型*/void InitPing(); / IntPing()函数用于初始化ping 所需的全局变量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; /*惟一的标识符*/ 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; /*惟一的标识符*/ 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;2. 初始化模块/*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;3. 功能控制模块/*显示信息函数*/void UserHelp() printf(UserHelp: ping -r data sizen); printf( -r record routen); printf( -n record amountn); printf( host remote machine to pingn); printf( datasize can 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); else switch (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 ;4. 数据报解读模块/*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); /*如果读取的数据太小*/ 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号和发送的是否一致*/ 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;5. Ping 测试模块/*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协议*/ 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_add