ping程序设计(c语言课程设计).doc

07网络工程本制作人：北-624寝室负责人：赖文斌第四篇 网络编程第九章 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。改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。改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。改模块用于解读接收到的报文和选项。(4)测试模块。改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_tye : 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Typedef struct _ipoptionhdr Unsigned char code; Unsigned char len; Unsigned char ptr; Unsigned loang 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" )/*加载头文件*/#include <winsock2.h>#include <ws2tcpip.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <math.h>/*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; /*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 <host> 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 < argc; i+) len = strlen(argvi); if (argvi0 = '-') /*选项指示要获取记录的条数*/ if(isdigit(argvi1) PacketNum = 0; for(j=len-1,exp=0;j>=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<len;m+) if(!(isdigit(argvim) /*是IP地址*/ lpdest = argvi; break; /*是数据报大小*/ else if(m=len-1) datasize = atoi(argvi); /*参数是主机名*/ else lpdest = argvi; /*求校验和函数*/USHORT CheckSum(USHORT *buffer, int size) unsigned long cksum=0; while (size > 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 < (ipopt->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 < iphdrlen + ICMP_MIN) printf("Too few bytes from %sn", inet_ntoa(from->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 else's 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)