计算机网络实验之Ping程序的设计和实现.docx

课程名称 计算机网络
试验序号 试验五
试验项目 Ping程序设计和实现

03月 25 日

试验汇报要求

1、试验汇报封面填表说明（每份试验汇报必需附上封面）
（1）课程名称：要求和试验纲领和试验指导书中课程名称一致。
（2）试验序号：指该课程第多个试验。
（3）试验项目：要求和试验纲领和试验指导书中试验项目一致。
（4）试验地点：填写完成该试验项目所在试验室名称。
（5）试验课时：要求和试验纲领和试验指导书中完成该试验项目所需课时一致。
（6）试验类型：是指演示性、操作性、验证性、综合性、设计性。
演示性：老师操作，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、调试试验装置或上机操作，掌握其基础原理和方法。
验证性：按试验指导书（教材）要求，由学生经过操作验证所学理论，加深对理论、知识了解，掌握基础试验知识、方法、技能、数据处理等。
综合性：试验内容包含本课程综合知识或相关课程知识，利用多知识、多个方法，按要求或自拟试验方案进行试验。关键培养学生综合利用所学知识、试验方法和试验技能，以培养其分析、处理问题能力。
设计性：给定试验目标、要求和试验条件，学生自己设计试验方案并加以实现试验。学生独立完成从查阅资料、确定试验方案、试验方法和步骤（或系统分析和设计）、选择仪器设备（或自行设计缺制作）进行试验并完成试验全过程，形成试验汇报，培养学生自主试验能力。
2、试验汇报格式
软件类试验汇报格式
公共课试验汇报格式
硬件类试验汇报格式
序号
要求
序号
要求
序号
要求
1
试验目标及要求
1
试验目标及要求
1
试验预习
试验目标试验原理及内容（简明扼要，关键是试验接线图）
2
试验原理和内容
2
试验步骤
所用仪器设备
3
试验软硬件环境
3
操作关键点
预习思索题
4
试验过程（试验步骤、统计、数据分析）
4
试验结果
2
试验原始统计（经试验指导老师署名认可）
画出试验所需要多种统计表格
5
测试/调试及试验结果分析
5
试验问题
3
试验汇报
数据处理（数据表格、计算结果、误差、结果表示、曲线图等）
6
试验结论和体会
6
小结及讨论
结论

讨论
3、老师批改学生试验汇报要求
（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）署名及批改日期：任课老师必需在每份学生试验汇报中署名和写上批改日期。
（4）成绩：填写学生试验成绩表，试验成绩作为考试成绩评定依据。

（4）评语：任课老师批改学生试验汇报时，应给出简明扼要评语。

成绩：
老师评语

指导老师署名： 批阅日期：

一、试验目标及要求

1. 加深对ICMP协议了解
2. 熟悉原始套接字使用方法
3. 掌握PING程序实现步骤

二、试验原理和内容

1、 一个网络诊疗工具
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原始套接字使用方法和API函数
Winsock原始套接字编程过程中，服务器端/用户端编程全部根据以下步骤：
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Winsock地址结构sockaddr ，针对多种通信域套接字，存放它们地址信息。
② 专门针对Internet 通信域Winsock地址结构sockaddr_in
③ 专用于存放IP地址结构in_addr

三、试验软硬件环境

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

四、试验过程（试验步骤、统计、数据、分析）

1. 打开Visual Studio ，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，要求实现以下功效：
能够指定ping目标主机IP。
每次发送4个ICMP回送请求报文，每个请求报文数据大小为32字节，发送超时和接收超时时间设为1000ms。
对于发出每个ICMP回送请求报文，若收到应答报文，显示每个应答报文数据大小（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.”
最终，显示用户名和ping统计信息。统计信息包含发出请求报文个数、收到应答报文个数、丢包个数、丢包率。

3. 绘制步骤框图

4. 编写各个函数代码块
5. 编译，运行

试验代码以下：（温馨提醒：意要在.cpp文件前后添加#include "stdafx.h" （是预编译处理器把stdafx.h文件中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; // 分片标识和片偏移
unsigned char ttl; // 生存时间
unsigned char proto; // 报文数据协议类型
unsigned short checksum; // 首部检验和
unsigned int sourceIP; // 源IP
unsigned int destIP; // 目标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];//目标IP（字符串）
unsigned int addr = 0; //目标IP（整型）
struct sockaddr_in dest; //目标IP（sockaddr_in结构）
struct sockaddr_in from; //源socket地址
int fromlen = sizeof(from);//源socket地址长度
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; // 成功接收报文个数
char *icmp_data; //指向发送缓冲区指针
char *recvbuf; //指向接收缓冲区指针

memset(dest_ip, '\0', sizeof(dest_ip));
if (argc<2) {
printf("Please input destination host IP（请输入目标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;
}

/* 转换指定目标IP为winsocket地址结构*/
addr = inet_addr(dest_ip);//第四处inet_addr()功效是将一个点分十进制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ICMP请求报文*/
memset(icmp_data, 0, MAX_PACKET);
fill_icmp_data(icmp_data, datasize);

/* 显示ping提醒信息*/
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; ii_cksum = 0; //校验和字段置0
((IcmpHeader*)icmp_data)->timestamp = GetTickCount(); //时间戳字段置为目前系统时间
((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;
}
/* 假如解析成功，递增成功接收数目++ */
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，结果图所表示：

五、测试/调试及试验结果分析

试验结果如上所表示

六、试验结论和体会

1. 经过此次试验，加深了对WinSock套接字了解
2. 加深了对CIMP协议了解
3. 对IP报文格式有了愈加好了解
4. 掌握了Ping程序实现步骤
5. 所用软件有些配置没有配置好，造成编译会犯错，要善于利用baidu处理问题

03 月 25日