计算机网络实验之Ping程序的设计与实现.doc

课程名称 计算机网络
实验序号 实验五
实验项目 Ping程序的设计与实现

2017年 03月 25 日

实验报告要求

1、实验报告封面填表说明（每份实验报告必须附上封面）
（1）课程名称：要求与实验大纲和实验指导书中的课程名称一致。
（2）实验序号：指该课程的第几个实验。
（3）实验项目：要求与实验大纲和实验指导书中的实验项目一致。
（4）实验地点：填写完成该实验项目所在的实验室名称。
（5）实验学时：要求与实验大纲和实验指导书中完成该实验项目所需学时一致。
（6）实验类型：是指演示性、操作性、验证性、综合性、设计性。
演示性：教师操作，学生观察，验证理论、说明原理和方法。
操作性：学生按要求动手拆装、调试实验装置或上机操作，掌握其基本原理和方法。
验证性：按实验指导书（教材）要求，由学生通过操作验证所学理论，加深对理论、知识的理解，掌握基本实验知识、方法、技能、数据处理等。
综合性：实验内容涉及本课程的综合知识或相关课程的知识，运用多的知识、多种方法，按要求或自拟实验方案进行实验。主要培养学生综合运用所学知识、实验方法和实验技能，以培养其分析、解决问题的能力。
设计性：给定实验目的、要求和实验条件，学生自己设计实验方案并加以实现的实验。学生独立完成从查阅资料、拟定实验方案、实验方法和步骤（或系统分析和设计）、选择仪器设备（或自行设计缺制作）进行实验并完成实验全过程，形成实验报告，培养学生自主实验的能力。
2、实验报告的格式
软件类实验报告格式
公共课实验报告格式
硬件类实验报告格式
序号
要求
序号
要求
序号
要求
1
实验目的及要求
1
实验目的及要求
1
实验预习
实验目的实验原理及内容（简明扼要，主要是实验接线图）
2
实验原理与内容
2
实验步骤
所用仪器设备
3
实验软硬件环境
3
操作要点
预习思考题
4
实验过程（实验步骤、记录、数据、分析）
4
实验结果
2
实验原始记录（经实验指导教师签名认可）
画出实验所需要的各种记录表格
5
测试/调试及实验结果分析
5
实验问题
3
实验报告
数据处理（数据表格、计算结果、误差、结果表达、曲线图等）
6
实验结论与体会
6
小结及讨论
结论

讨论
3、教师批改学生实验报告要求
（1）批改：全部批改及更正错误。
（2）评分：按百分制评分，不能评分为“优、良、中、差”或“A、B、C”。
（3）签名及批改日期：任课教师必须在每份学生实验报告中签名和写上批改日期。
（4）成绩：填写学生实验成绩表，实验成绩作为考试成绩评定的依据。
（4）评语：任课教师批改学生实验报告时，应给出简明扼要的评语。

成绩：
教师评语

指导教师签名： 批阅日期：

一、实验目的及要求

1. 加深对ICMP协议的理解
2. 熟悉原始套接字的使用方法
3. 掌握PING程序的实现流程

二、实验原理与内容

1、 一种网络诊断工具
2、 发送ICMP回送请求报文
3、 接收 ICMP回送应答报文

4、 IP报文格式

5、 WinSock原始套接字的使用方法与API函数
Winsock原始套接字编程过程中，服务器端/客户端的编程都按照以下步骤：
初始化套接字(WSAStartup)
创建套接字(socket或WSASocket)
向服务器通信(sendto/recvfrom)
关闭套接字(closesocket)
结束使用套接字(WSACleanup)

6、 三种WinSock地址结构
① 用的Winsock地址结构sockaddr ，针对各种通信域的套接字，存储它们的地址信息。
② 专门针对Internet 通信域的Winsock地址结构sockaddr_in
③ 专用于存储IP地址的结构in_addr

三、实验软硬件环境

运行Windows XP/ Windows Server 2003/Windows 7操作系统的PC一台
Visual C++6.0/ Visual Studio 2005/Visual Studio 2010开发环境

四、实验过程（实验步骤、记录、数据、分析）

1. 打开Visual Studio 2013，建立工程文件

2. 了解需求，进行需求分析：
使用winsock原始套接字编写ping程序，要求实现如下功能：
可以指定ping的目标主机IP。
每次发送4个ICMP回送请求报文，每个请求报文的数据大小为32字节，发送超时和接收超时时间设为1000ms。
对于发出的每个ICMP回送请求报文，若收到应答报文，显示每个应答报文的数据大小（byte）、源IP、序号、响应时间(ms)；若发送超时或接收超时，显示“Request time out.”
最后，显示用户名和ping的统计信息。统计信息包括发出的请求报文个数、收到的应答报文个数、丢包个数、丢包率。

3. 绘制流程框图

4. 编写各个函数代码块
5. 编译，运行

实验代码如下：（温馨提醒：意要在.cpp文件的前后添加#include "stdafx.h" （是预编译处理器把stdafx.h文件中的内容加载到程序中来。））

#include "stdafx.h"

#pragma pack(4)
#pragma comment( lib, "ws2_32.lib" )
#include "winsock2.h"
//#include "stdafx.h"//增加的头文
#include "stdlib.h"
#include "stdio.h"

#define ICMP_ECHO 8 // ICMP ECHO 请求报文类型
#define ICMP_ECHOREPLY 0 // ICMP ECHO 响应报文类型
#define ICMP_MIN 8 // 最小ICMP报文大小为8 bytes (只有ICMP首部)

#define ICMP_PACKET_SIZE 32 //ICMP报文数据大小
#define ICMP_PACKET_NUMBER 4 //发送ICMP报文的个数
#define MAX_PACKET 1024 // 最大ICMP报文数据长度
#define ICMP_TIMEOUT 1000 //ICMP超时时间

#define xmalloc(s) HeapAlloc(GetProcessHeap(),HEAP_ZERO_MEMORY,(s))
#define xfree(p) HeapFree (GetProcessHeap(),0,(p))

/* 定义结构体：IP 首部*/
typedef struct iphdr {
unsigned int h_len : 4; // 首部长度
unsigned int version : 4; // IP版本
unsigned char tos; // 服务类型
unsigned short total_len; // 报文总长度
unsigned short ident; // IP报文标识符
unsigned short frag_and_flags; // 分片标记和片偏移
unsigned char ttl; // 生存时间
unsigned char proto; // 报文数据的协议类型
unsigned short checksum; // 首部检验和
unsigned int sourceIP; // 源IP
unsigned int destIP; // 目的IP
}IpHeader;

/* 定义结构体：ICMP 首部*/
typedef struct icmphdr {
BYTE i_type; // ICMP报文类型
BYTE i_code; // 代码
USHORT i_cksum; // 报文校验和
USHORT i_id; // ICMP报文标识符
USHORT i_seq; // 报文序号
ULONG timestamp; //时间戳，不是ICMP报文首部的标准组成部分
}IcmpHeader;

void fill_icmp_data(char *, int); // ICMP请求报文填充函数
USHORT checksum(USHORT *, int); // 校验和计算函数
int decode_resp(char *, int, struct sockaddr_in *); // ICMP应答报文解析函数

int main(int argc, char **argv){
WSADATA wsaData; //套接字信息
SOCKET sockRaw; //原始套件字
char dest_ip[16];//目的IP（字符串）
unsigned int addr = 0; //目的IP（整型）
struct sockaddr_in dest; //目的IP（sockaddr_in结构）
struct sockaddr_in from; //源socket地址
int fromlen = sizeof(from);//源socket地址的长度
int datasize; //报文总长度（=首部大小+数据大小）
//int bwrote, bread; //实际发送和接收数据大小
int timeout = ICMP_TIMEOUT; //超时时间
USHORT seq_no = 0;//报文序号从0开始递增
int statistic = 0; // 成功接收报文的个数
char *icmp_data; //指向发送缓冲区的指针
char *recvbuf; //指向接收缓冲区的指针

memset(dest_ip, '\0', sizeof(dest_ip));
if (argc<2) {
printf("Please input destination host IP（请输入目的IP）:");
scanf("%s", &dest_ip);
}
else
memcpy(dest_ip, argv[1], strlen(argv[1]));

/* 初始化函数 */
if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsaData) != 0){//第一处
printf("WSAStartup failed: %d\n", GetLastError());
return -1;
}

/* 创建传输ICMP协议数据的原始套接字 */
sockRaw = WSASocket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);//第二/* raw-protocol interface */第三处
if (sockRaw == INVALID_SOCKET) {
printf("WSASocket() failed: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}

/* 设置套接字的接收超时选项(即设置SO_RCVTIMEO) */
if (setsockopt(sockRaw, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char*)&timeout, sizeof(timeout)) == SOCKET_ERROR){
printf("failed to set recv timeout: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}
/* 设置套接字的发送超时选项(即设置SO_SNDTIMEO) */
if (setsockopt(sockRaw, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, (char*)&timeout, sizeof(timeout)) == SOCKET_ERROR){
printf("failed to set send timeout: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}

/* 转换指定的目的IP为winsocket地址结构*/
addr = inet_addr(dest_ip);//第四处inet_addr()的功能是将一个点分十进制的IP转换成一个长整数型数（u_long类型）
dest.sin_addr.s_addr = addr;
dest.sin_family = AF_INET;

/* 创建发送缓冲区，分配内存*/
datasize = ICMP_PACKET_SIZE + sizeof(IcmpHeader);
icmp_data = (char*)xmalloc(MAX_PACKET);
if (!icmp_data) {
printf("HeapAlloc failed %d\n", GetLastError());
return -1;
}
/* 创建接收缓冲区，分配内存*/
recvbuf = (char*)xmalloc(MAX_PACKET);
if (!recvbuf) {
printf("HeapAlloc failed %d\n", GetLastError());
return -1;
}

/* 填充待发送的ICMP请求报文*/
memset(icmp_data, 0, MAX_PACKET);
fill_icmp_data(icmp_data, datasize);

/* 显示ping提示信息*/
printf("\nPinging %s ....\n\n", dest_ip);

/* 发送4个ICMP请求报文，并接收应答报文*/
for (int i = 0; i<ICMP_PACKET_NUMBER; i++)
{
int bwrote = 0, bread = 0; //实际发送和接收数据大小
((IcmpHeader*)icmp_data)->i_cksum = 0; //校验和字段置0
((IcmpHeader*)icmp_data)->timestamp = GetTickCount(); //时间戳字段置为当前系统时间
((IcmpHeader*)icmp_data)->i_seq = seq_no++; //序号字段每次递增1
((IcmpHeader*)icmp_data)->i_cksum = checksum((USHORT*)icmp_data, datasize);//计算校验和

/* 发送ICMP请求报文*/
bwrote = sendto(sockRaw, icmp_data, datasize, 0, (struct sockaddr*)&dest, sizeof(dest));//第五第六处
if (bwrote == SOCKET_ERROR){
if (WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT) {
printf("Request timed out.\n");
continue;
}
printf("sendto failed: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}

/* 接收ICMP应答报文*/
bread = recvfrom(sockRaw, recvbuf, MAX_PACKET, 0, (struct sockaddr*)&from, &fromlen);//第七处
if (bread == SOCKET_ERROR){
if (WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT) {
printf("Request timed out.\n");
continue;
}
printf("recvfrom failed: %d\n", WSAGetLastError());
return -1;
}
/* 如果解析成功，递增成功接收的数目++ */
if (!decode_resp(recvbuf, bread, &from))
statistic++;

Sleep(1000); //间隔1000ms后再发下一个请求报文
}

/* 显示用户名和统计结果*/
printf("\nPing statistics collected by XXX for %s \n", dest_ip);
printf(" Packets: Sent = %d,Received = %d, Lost = %d (%2.0f%% loss)\n",
ICMP_PACKET_NUMBER, //发送报文个数
statistic,//接收报文个数
(ICMP_PACKET_NUMBER - statistic),//丢失报文个数
(float)(ICMP_PACKET_NUMBER - statistic) / ICMP_PACKET_NUMBER * 100);//丢包率

/* 关闭套接字 */
closesocket(sockRaw);//第九处
/* 注销函数 */
WSACleanup();
return 0;
}

/* ICMP回送请求报文填充函数 */
void fill_icmp_data(char * icmp_data, int datasize){
IcmpHeader *icmp_hdr;
char *datapart;
icmp_hdr = (IcmpHeader*)icmp_data;
icmp_hdr->i_type = ICMP_ECHO;
icmp_hdr->i_code = 0;
icmp_hdr->i_id = (USHORT)GetCurrentProcessId();
icmp_hdr->i_cksum = 0;
icmp_hdr->i_seq = 0;
datapart = icmp_data + sizeof(IcmpHeader);
memset(datapart, 'E', datasize - sizeof(IcmpHeader));
}

/* ICMP回送应答报文解析函数 */
int decode_resp(char *buf, int bytes, struct sockaddr_in *from)
{
IpHeader *iphdr;
IcmpHeader *icmphdr;
unsigned short iphdrlen;
iphdr = (IpHeader *)buf;
iphdrlen = (iphdr->h_len) * 4;
if (bytes < iphdrlen + ICMP_MIN) {
printf("Too few bytes from %s\n", inet_ntoa(from->sin_addr));
return -1;
}
icmphdr = (IcmpHeader*)(buf + iphdrlen);
if (icmphdr->i_type != ICMP_ECHOREPLY) {
printf("non-echo type %d recvd\n", icmphdr->i_type);
return -1;
}
if (icmphdr->i_id != (USHORT)GetCurrentProcessId()) {
printf("someone else''s packet!\n");
return -1;
}
printf("%d bytes from %s:", bytes - iphdrlen - sizeof(IcmpHeader), inet_ntoa(from->sin_addr));
printf(" icmp_seq = %d. ", icmphdr->i_seq);
printf(" time: %d ms ", bytes);
printf("\n");
return 0;
}

/* 校验和计算函数 */
USHORT checksum(USHORT *buffer, int size) {
unsigned long cksum = 0;
while (size >1) {
cksum += *buffer++;
size -= sizeof(USHORT);
}
if (size) {
cksum += *(UCHAR*)buffer;
}
cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
cksum += (cksum >> 16);
return (USHORT)(~cksum);
}

#include "stdafx.h"

6. 按Crtl+F5编译、运行，结果如图所示：

五、测试/调试及实验结果分析

实验结果如上所示

六、实验结论与体会

1. 通过本次实验，加深了对WinSock套接字的了解
2. 加深了对CIMP协议的了解
3. 对IP报文格式有了更好的理解
4. 掌握了Ping程序的实现流程
5. 所用的软件有些配置没有配置好，导致编译会出错，要善于利用百度解决问题

2017年 03 月 25日

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