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这次我们来看一下什么是 Ping 操作，以及它有什么用处，并且我们来动手实现一个简易版的 Ping 工具。<!--more-->
#### Ping 是什么？
`ping` 是一个计算机网络工具，通常用于测试网络连接的可达性和测量往返时间。在大多数操作系统中，`ping` 命令是一个内置的命令行工具，可以通过命令行终端使用。例如，在 Windows 操作系统中，你可以在命令提示符中运行 `ping` 命令，而在类 Unix 操作系统（如 Linux 和 macOS）中，你可以在终端中使用 `ping` 命令。通常，命令的语法是 `ping 目标主机或 IP`，然后命令将输出与目标主机的通信状态和 RTT 相关的信息。
#### Ping 有什么用处？
`Ping` 工具主要有以下几个主要用途：
1. **测试主机的可达性**：`ping` 命令用于检查另一个主机是否可以在网络上访问。它向目标主机发送一个小的数据包（通常是 ICMP Echo Request），如果目标主机正常工作，它将响应一个回复数据包（通常是 ICMP Echo Reply）。如果没有响应，那么目标主机可能无法访问或处于离线状态。
2. **测量往返时间（RTT）**：`ping` 命令通常会显示每次请求和响应之间的时间差，这被称为往返时间（RTT）。这个值表示了数据从发送端到接收端的往返延迟，通常以毫秒为单位。测量 RTT 对于评估网络性能和延迟非常有用。
3. **网络故障排除**：`ping` 是网络故障排除的有用工具之一。通过检查 `ping` 的输出，网络管理员可以确定网络连接是否正常，以及延迟是否在可接受范围内。如果 `ping` 失败，管理员可以进一步调查网络故障的原因。
4. **监测网络稳定性**：`ping` 命令还可以用于监测网络的稳定性。通过连续地向目标主机发送 `ping` 请求，可以了解网络连接的质量和稳定性。如果出现不稳定性，管理员可以及时采取措施。
#### 动手实现一个 Ping 工具
首先，我们要了解一下 `Ping` 操作的工作原理：向网络上的另一个主机系统发送 `ICMP` 报文，如果指定系统得到了报文，它将把回复报文传回给发送者。
先来看看 ICMP 报文长什么样：
ICMP 报文由 ICMP 报文头 和 数据包组成，其报文头包含 Type、Code、Checksum、ID、SequenceNum 字段。因此，我们需要先在本地主机上定义 ICMP 请求报文结构体：
```go
type ICMP struct {
Type uint8 // 类型
Code uint8 // 代码
CheckSum uint16 // 校验和
ID uint16 // ID
SequenceNum uint16 // 序号
}
```
上面只是 ICMP 的报文头，我们在后面还需要为这个报文构建请求数据。需要注意的是，定义的顺序不能乱，因为我们发送数据包是按字节发送的，所以获取对应的字段的时候，也是按照对应字段的位置去获取的，如果顺序乱了，获取到的数据就会出错。
在构建数据之前，我们先设置好命令行参数，以获取对应参数和目标 IP，同时需要定义全局变量，将命令行参数绑定到对应的变量中，方便使用：
```go
var (
helpFlag bool
timeout int64 // 耗时
size int // 大小
count int // 请求次数
)
func GetCommandArgs() {
flag.Int64Var(&timeout, "w", 1000, "请求超时时间")
flag.IntVar(&size, "l", 32, "发送字节数")
flag.IntVar(&count, "n", 4, "请求次数")
flag.BoolVar(&helpFlag, "h", false, "显示帮助信息")
flag.Parse()
}
```
在 `main` 函数中，启用命令行参数设置：
```go
func main() {
GetCommandArgs()
}
```
在发送报文前，我们需要先建立连接，此时需要先获取目标 IP，这个由命令行参数中获取：
```go
// 获取目标 IP
desIP := os.Args[len(os.Args)-1]
// 构建连接
conn, err := net.DialTimeout("ip:icmp", desIP, time.Duration(timeout)*time.Millisecond)
if err != nil {
log.Println(err.Error())
return
}
defer conn.Close()
// 远程地址
remoteaddr := conn.RemoteAddr()
```
连接建立后，我们需要根据参数中的发送次数 `count` 去发送对应次数的报文，因此需要用 `for` 去做：
```go
for i := 0; i < count; i ++ {
...
}
```
通过百度百科可以查到，我们要使用的是 Ping 请求，即回显请求，其对应的 Type 和 Code 如下：
同样，我们在全局变量中添加对应的值：
```go
var (
typ uint8 = 8
code uint8 = 0
)
```
做好前面的准备工作，我们就可以开始构建我们的 ICMP 请求报文了。我们这里以发送的第几次作为 ID 和序列号：
```go
icmp := &ICMP{
Type: typ,
Code: code,
CheckSum: uint16(0),
ID: uint16(i),
SequenceNum: uint16(i),
}
```
由于 ICMP 是使用二进制进行传输的，所以我们需要将信息用二进制表示：
```go
var buffer bytes.Buffer
binary.Write(&buffer, binary.BigEndian, icmp)
```
然后根据发送数据的大小 `size` 构建数据并写在 ICMP 报文后面：
```go
data := make([]byte, size)
buffer.Write(data)
data = buffer.Bytes()
```
现在，就只差一个校验和字段了，计算 ICMP（Internet Control Message Protocol）报文的校验和字段遵循以下步骤：
1. 将报文分为 16 位的字（两个字节）。
2. 对所有字进行按位求和（二进制求和），包括数据部分和报文头。如果有剩余字节（奇数个字节），将其附加到最后一个字节。
3. 将溢出的进位位（如果有）加回到结果中。
4. 取结果的二进制反码（按位取反）
代码实现如下：
```go
func checkSum(data []byte) uint16 {
// 第一步：两两拼接并求和
length := len(data)
index := 0
var sum uint32
for length > 1 {
// 拼接且求和
sum += uint32(data[index])<<8 + uint32(data[index+1])
length -= 2
index += 2
}
// 奇数情况，还剩下一个，直接求和过去
if length == 1 {
sum += uint32(data[index])
}
// 第二部：高 16 位，低 16 位 相加，直至高 16 位为 0
hi := sum >> 16
for hi != 0 {
sum = hi + uint32(uint16(sum))
hi = sum >> 16
}
// 返回 sum 值 取反
return uint16(^sum)
}
```
接着再将算出来的校验和放到报文头对应的位置中去，这里需要计算一下位置。假设我们有以下 ICMP 报文：
```diff
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Type | Code |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Checksum (2 bytes) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Identifier (2 bytes) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Sequence Number (2 bytes) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Data (variable length) |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
```
校验和属于报文的第3、4个字节，即 data[2] 和 data[3]。
```go
data[2] = byte(checkSum >> 8)
data[3] = byte(checkSum)
```
最后再设置一下超时时间，就可以将数据 `data` 写入连接中了：
```go
// 设置超时时间
conn.SetDeadline(time.Now().Add(time.Duration(timeout) * time.Millisecond))
// 将 data 写入连接中，
n, err := conn.Write(data)
if err != nil {
log.Println(err)
continue
}
```
发送完成后，再构建缓冲接收响应包，
```go
buf := make([]byte, 1024)
n, err = conn.Read(buf)
//fmt.Println(data)
if err != nil {
log.Println(err)
continue
}
```
然后我们就可以从响应包中获取我们需要的数据，比如 IP 地址、TTL等：
根据抓到的 ICMP 响应包，可以知道 IP 头共 20 个字节，源 IP 和 目标 IP 在我们接收的数据包的倒数 8 个字节里，所以我们可以推算出我们访问的 IP 地址，就可以构建我们的打印信息了：
```go
fmt.Printf("来自 %d.%d.%d.%d 的回复：字节=%d 时间=%d TTL=%d\n", buf[12], buf[13], buf[14], buf[15], n-28, t, buf[8])
```
至此，我们 Ping 工具的核心功能就实现了，还有一些统计信息，就不做具体的讲解了，感兴趣的可以从代码中看具体的实现。
完整代码如下：
```go
package main
import (
"bytes"
"encoding/binary"
"flag"
"fmt"
"log"
"math"
"net"
"os"
"time"
)
// tcp 报文前20个是报文头，后面的才是 ICMP 的内容。
// ICMP：组建 ICMP 首部（8 字节） + 我们要传输的内容
// ICMP 首部：type、code、校验和、ID、序号，1 1 2 2 2
// 回显应答：type = 0，code = 0
// 回显请求：type = 8, code = 0
var (
helpFlag bool
timeout int64 // 耗时
size int // 大小
count int // 请求次数
typ uint8 = 8
code uint8 = 0
SendCnt int // 发送次数
RecCnt int // 接收次数
MaxTime int64 = math.MinInt64 // 最大耗时
MinTime int64 = math.MaxInt64 // 最短耗时
SumTime int64 // 总计耗时
)
// ICMP 序号不能乱
type ICMP struct {
Type uint8 // 类型
Code uint8 // 代码
CheckSum uint16 // 校验和
ID uint16 // ID
SequenceNum uint16 // 序号
}
func main() {
fmt.Println()
log.SetFlags(log.Llongfile)
GetCommandArgs()
// 打印帮助信息
if helpFlag {
displayHelp()
os.Exit(0)
}
// 获取目标 IP
desIP := os.Args[len(os.Args)-1]
//fmt.Println(desIP)
// 构建连接
conn, err := net.DialTimeout("ip:icmp", desIP, time.Duration(timeout)*time.Millisecond)
if err != nil {
log.Println(err.Error())
return
}
defer conn.Close()
// 远程地址
remoteaddr := conn.RemoteAddr()
fmt.Printf("正在 Ping %s [%s] 具有 %d 字节的数据:\n", desIP, remoteaddr, size)
for i := 0; i < count; i++ {
// 构建请求
icmp := &ICMP{
Type: typ,
Code: code,
CheckSum: uint16(0),
ID: uint16(i),
SequenceNum: uint16(i),
}
// 将请求转为二进制流
var buffer bytes.Buffer
binary.Write(&buffer, binary.BigEndian, icmp)
// 请求的数据
data := make([]byte, size)
// 将请求数据写到 icmp 报文头后
buffer.Write(data)
data = buffer.Bytes()
// ICMP 请求签名（校验和）：相邻两位拼接到一起，拼接成两个字节的数
checkSum := checkSum(data)
// 签名赋值到 data 里
data[2] = byte(checkSum >> 8)
data[3] = byte(checkSum)
startTime := time.Now()
// 设置超时时间
conn.SetDeadline(time.Now().Add(time.Duration(timeout) * time.Millisecond))
// 将 data 写入连接中，
n, err := conn.Write(data)
if err != nil {
log.Println(err)
continue
}
// 发送数 ++
SendCnt++
// 接收响应
buf := make([]byte, 1024)
n, err = conn.Read(buf)
//fmt.Println(data)
if err != nil {
log.Println(err)
continue
}
// 接受数 ++
RecCnt++
//fmt.Println(n, err) // data：64，ip首部：20，icmp：8个 = 92 个
// 打印信息
t := time.Since(startTime).Milliseconds()
fmt.Printf("来自 %d.%d.%d.%d 的回复：字节=%d 时间=%d TTL=%d\n", buf[12], buf[13], buf[14], buf[15], n-28, t, buf[8])
MaxTime = Max(MaxTime, t)
MinTime = Min(MinTime, t)
SumTime += t
time.Sleep(time.Second)
}
fmt.Printf("\n%s 的 Ping 统计信息:\n", remoteaddr)
fmt.Printf(" 数据包: 已发送 = %d，已接收 = %d，丢失 = %d (%.f%% 丢失)，\n", SendCnt, RecCnt, count*2-SendCnt-RecCnt, float64(count*2-SendCnt-RecCnt)/float64(count*2)*100)
fmt.Println("往返行程的估计时间(以毫秒为单位):")
fmt.Printf(" 最短 = %d，最长 = %d，平均 = %d\n", MinTime, MaxTime, SumTime/int64(count))
}
// 求校验和
func checkSum(data []byte) uint16 {
// 第一步：两两拼接并求和
length := len(data)
index := 0
var sum uint32
for length > 1 {
// 拼接且求和
sum += uint32(data[index])<<8 + uint32(data[index+1])
length -= 2
index += 2
}
// 奇数情况，还剩下一个，直接求和过去
if length == 1 {
sum += uint32(data[index])
}
// 第二部：高 16 位，低 16 位 相加，直至高 16 位为 0
hi := sum >> 16
for hi != 0 {
sum = hi + uint32(uint16(sum))
hi = sum >> 16
}
// 返回 sum 值 取反
return uint16(^sum)
}
// GetCommandArgs 命令行参数
func GetCommandArgs() {
flag.Int64Var(&timeout, "w", 1000, "请求超时时间")
flag.IntVar(&size, "l", 32, "发送字节数")
flag.IntVar(&count, "n", 4, "请求次数")
flag.BoolVar(&helpFlag, "h", false, "显示帮助信息")
flag.Parse()
}
func Max(a, b int64) int64 {
if a > b {
return a
}
return b
}
func Min(a, b int64) int64 {
if a < b {
return a
}
return b
}
func displayHelp() {
fmt.Println(`选项：
-n count 要发送的回显请求数。
-l size 发送缓冲区大小。
-w timeout 等待每次回复的超时时间(毫秒)。
-h 帮助选项`)
}
```
#### 小结
本文讲解了常用工具 Ping，并且从 ICMP 报文角度手把手教大家实现了一个简易版的 Ping 工具，在这个过程中大家可以收获到很多东西，希望大家能够自己动手实现一下，结果一定不会让你失望。
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