使用Golang实现一个ping功能小工具

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：

• 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。
• 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。
• 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。
• 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。
​ 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：

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：

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：

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：

// 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：

for i := 0; i < count; i ++ {
    ...
}

​ 同样，我们在全局变量中添加对应的值：

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：

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：

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：

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：

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：

+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|      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]。

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：

// 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，

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：

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：

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。