C++实现路由追踪(Tracert)程序

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        ICMP协议介绍

        Tracert实现原理

        代码部分

        测试结果

ICMP协议介绍

        ICMP是internet控制报文协议，它是TCP/IP协议族的一个子协议，用于IP主机、路由器之间传递控制消息。ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。它是一个非常重要的协议，它对于网络安全具有极其重要的意义。从技术角度说，ICMP就是一个“错误侦测与回报机制”，其目的就是让我们能够检测网络的连接状况，也能确保连线的准确性，其功能主要有：

        · 侦测远端主机是否存在。

        · 建立及维护路由资料。

        · 重导资料传送路径（ICMP重定向）。

        · 资料流量控制。

        ICMP 是个非常有用的协议﹐尤其是当我们要对网路连接状况进行判断的时候。

        它传递差错报文以及其他需要注意的信息，经常供IP层或更高层协议（TCP或UDP）使用。所以它经常被认为是IP层的一个组成部分。它在IP数据报文中的封装如下：

        ICMP的数据报文格式如下所示。所有报文的前4个字节都是一样的，其他的因报文类型不同而不一样。类型字段可以有15个不同的值，用以描述不同的ICMP报文。校验和字段覆盖整个ICMP报文，使用了和IP首部检验和一样的算法，详细请搜索TCP/IP检验和算法。

        不同类型的报文是由类型字段和代码字段来共同决定。下表是各种类型的ICMP报文。

        根据上表可知，ICMP协议大致分为两类，一种是查询报文，一种是差错报文。查询报文是用一对请求和应答定义的，它通常有以下几种用途:

1. ping查询
2. 子网掩码查询（用于无盘工作站在初始化自身的时候初始化子网掩码）
3. 时间戳查询（可以用来同步时间）

        而差错报文通常包含了引起错误的IP数据报的第一个分片的IP首部（和选项），加上该分片数据部分的前8个字节。RFC 792规范中定义的这8个字节中包含了该分组运输层首部的所有分用信息，这样运输层协议就可以向正确的进程提交ICMP差错报文。

        当传送IP数据包发生错误时，比如主机不可达，端口不可达等，ICMP协议就会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会，这也就是为什么说建立在IP层以上的协议是可能做到安全的原因。由上面可知，ICMP数据包由8bit的错误类型和8bit的代码和16bit的校验和组成，而前 16bit就组成了ICMP所要传递的信息。由数据链路层所能发送的最大数据帧，即MTU（Maximum Transmission Unit）为1500，计算易知ICMP协议在实际传输中数据包为：20字节IP首部 + 8字节ICMP首部+ 1472字节（数据大小）。

        尽管在大多数情况下，错误的包传送应该给出ICMP报文，但是在特殊情况下，是不产生ICMP错误报文的。如下

1. ICMP差错报文不会产生ICMP差错报文（出IMCP查询报文）（防止IMCP的无限产生和传送）
2. 目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报。
3. 作为链路层广播的数据报。
4. 不是IP分片的第一片。
5. 源地址不是单个主机的数据报。这就是说，源地址不能为零地址、环回地址、广播地 址或多播地址。

Tracert实现原理

        Tracert程序关键是对IP头部生存时间(time to live)TTL字段的使用,程序实现时是向目地主机发送一个ICMP回显请求消息，初始时TTL等于1，这样当该数据报抵达途中的第一个路由器时，TTL的值就被减为0，导致发生超时错误，因此该路由生成一份ICMP超时差错报文返回给源主机。随后，主机将数据报的TTL值递增1，以便IP报能传送到下一个路由器，并由下一个路由器生成ICMP超时差错报文返回给源主机。不断重复这个过程，直到数据报达到最终的目地主机，此时目地主机将返回ICMP回显应答消息。这样，源主机只需对返回的每一份ICMP报文进行解析处理，就可以掌握数据报从源主机到达目地主机途中所经过的路由信息。

代码部分

#include <iostream>
#include <winsock2.h>
#include <ws2tcpip.h>
#pragma comment(lib,"ws2_32.lib")
using namespace std;//IP报头
typedef struct
{unsigned char hdr_len:4;         //4位头部长度unsigned char version:4;         //4位版本号unsigned char tos;               //8位服务类型unsigned short total_len;        //16位总长度unsigned short identifier;       //16位标识符unsigned short frag_and_flags;   //3位标志加13位片偏移unsigned char ttl;               //8位生存时间unsigned char protocol;          //8位上层协议号unsigned short checksum;         //16位效验和unsigned long sourceIP;          //32位源IP地址unsigned long destIP;            //32位目的IP地址
}IP_HEADER;//ICMP报头
typedef struct
{BYTE type;     //8位类型字段BYTE code;     //8位代码字段USHORT cksum;  //16位效验和USHORT id;     //16位标识符USHORT seq;    //16位序列号
}ICMP_HEADER;//报文解码结构
typedef struct
{USHORT usSeqNo;          //序列号DWORD dwRoundTripTime;   //返回时间in_addr dwIPaddr;        //返回报文的IP地址
}DECODE_RESULT;//计算网际效验和函数
USHORT checksum(USHORT *pBuf,int iSize)
{unsigned long cksum=0;while(iSize>1){cksum+=*pBuf++;iSize-=sizeof(USHORT);}if(iSize){cksum+=*(USHORT*)pBuf;}cksum=(cksum>>16)+(cksum&0xffff);cksum+=(cksum>>16);return(USHORT)(~cksum);
}//对数据包进行解码
BOOL DecodeIcmpResponse(char *pBuf,int iPacketSize,DECODE_RESULT &DecodeResult,BYTE ICMP_ECHO_REPLY,BYTE ICMP_TIMEOUT)
{//检查数据报大小的合法性IP_HEADER *pIpHdr=(IP_HEADER*)pBuf;int iIpHdrLen=pIpHdr->hdr_len*4;if(iPacketSize<(int)(iIpHdrLen+sizeof(ICMP_HEADER)))return FALSE;//根据ICMP报文类型提取ID字段和序列号字段ICMP_HEADER *pIcmpHdr=(ICMP_HEADER*)(pBuf+iIpHdrLen);USHORT usID,usSquNo;if(pIcmpHdr->type==ICMP_ECHO_REPLY)    //ICMP回显应答报文{usID=pIcmpHdr->id;   //报文IDusSquNo=pIcmpHdr->seq;  //报文序列号}else if(pIcmpHdr->type==ICMP_TIMEOUT)   //ICMP超时差错报文{char *pInnerIpHdr=pBuf+iIpHdrLen+sizeof(ICMP_HEADER);  //载荷中的IP头int iInnerIPHdrLen=((IP_HEADER*)pInnerIpHdr)->hdr_len*4; //载荷中的IP头长ICMP_HEADER *pInnerIcmpHdr=(ICMP_HEADER*)(pInnerIpHdr+iInnerIPHdrLen);//载荷中的ICMP头usID=pInnerIcmpHdr->id;  //报文IDusSquNo=pInnerIcmpHdr->seq;  //序列号}else{return false;}//检查ID和序列号以确定收到期待数据报if(usID!=(USHORT)GetCurrentProcessId()||usSquNo!=DecodeResult.usSeqNo){return false;}//记录IP地址并计算往返时间DecodeResult.dwIPaddr.s_addr=pIpHdr->sourceIP;DecodeResult.dwRoundTripTime=GetTickCount()-DecodeResult.dwRoundTripTime;//处理正确收到的ICMP数据报if(pIcmpHdr->type==ICMP_ECHO_REPLY||pIcmpHdr->type==ICMP_TIMEOUT){//输出往返时间信息if(DecodeResult.dwRoundTripTime)cout<<"    "<<DecodeResult.dwRoundTripTime<<"ms"<<flush;elsecout<<"    "<<"<1ms"<<flush;}return true;
}int main()
{//初始化Windows sockets网络环境WSADATA wsa;WSAStartup(MAKEWORD(2,2),&wsa);char IpAddress[255];cout<<"请输入一个IP地址或域名：";cin>>IpAddress;//得到IP地址u_long ulDestIP=inet_addr(IpAddress);//转换不成功时按域名解析if(ulDestIP==INADDR_NONE){hostent *pHostent=gethostbyname(IpAddress);if(pHostent){ulDestIP=(*(in_addr*)pHostent->h_addr).s_addr;}else{cout<<"输入的IP地址或域名无效"<<endl;WSACleanup();return 0;}}cout<<"Tracing route to "<<IpAddress<<" with a maximum of 30 hops.\n"<<endl;//填充目的端socket地址sockaddr_in destSockAddr;ZeroMemory(&destSockAddr,sizeof(sockaddr_in));destSockAddr.sin_family=AF_INET;destSockAddr.sin_addr.s_addr=ulDestIP;//创建原始套接字SOCKET sockRaw=WSASocket(AF_INET,SOCK_RAW,IPPROTO_ICMP,NULL,0,WSA_FLAG_OVERLAPPED);//超时时间int iTimeout=3000;//接收超时setsockopt(sockRaw,SOL_SOCKET,SO_RCVTIMEO,(char*)&iTimeout,sizeof(iTimeout));//发送超时setsockopt(sockRaw,SOL_SOCKET,SO_SNDTIMEO,(char*)&iTimeout,sizeof(iTimeout));//构造ICMP回显请求消息，并以TTL递增的顺序发送报文//ICMP类型字段const BYTE ICMP_ECHO_REQUEST=8;   //请求回显const BYTE ICMP_ECHO_REPLY=0;     //回显应答const BYTE ICMP_TIMEOUT=11;       //传输超时//其他常量定义const int DEF_ICMP_DATA_SIZE=32;    //ICMP报文默认数据字段长度const int MAX_ICMP_PACKET_SIZE=1024; //ICMP报文最大长度（包括报头）const DWORD DEF_ICMP_TIMEOUT=3000;   //回显应答超时时间const int DEF_MAX_HOP=30;            //最大跳站数//填充ICMP报文中每次发送时不变的字段char IcmpSendBuf[sizeof(ICMP_HEADER)+DEF_ICMP_DATA_SIZE]; //发送缓冲区memset(IcmpSendBuf,0,sizeof(IcmpSendBuf));     //初始化发送缓冲区char IcmpRecvBuf[MAX_ICMP_PACKET_SIZE];        //接收缓冲区memset(IcmpRecvBuf,0,sizeof(IcmpRecvBuf));     //初始化接收缓冲区ICMP_HEADER *pIcmpHeader=(ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf;pIcmpHeader->type=ICMP_ECHO_REQUEST;             //类型为请求回显pIcmpHeader->code=0;                             //代码字段为0pIcmpHeader->id=(USHORT)GetCurrentProcessId();   //ID字段为当前进程号memset(IcmpSendBuf+sizeof(ICMP_HEADER),'E',DEF_ICMP_DATA_SIZE);   //数据字段USHORT usSeqNo=0;                //ICMP报文序列号int iTTL=1;                      //TTL初始值为1BOOL bReachDestHost=FALSE;       //循环退出标志int iMaxHot=DEF_MAX_HOP;         //循环的最大次数DECODE_RESULT DecodeResult;      //传递给报文解码函数的结构化参数while(!bReachDestHost&&iMaxHot--){//设置IP报头的TTL字段setsockopt(sockRaw,IPPROTO_IP,IP_TTL,(char*)&iTTL,sizeof(iTTL));cout<<iTTL<<flush;       //输出当前序号//填充ICMP报文中每次发送变化的字段((ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf)->cksum=0;                 //效验和先置为0((ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf)->seq=htons(usSeqNo++);    //填充序列号((ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf)->cksum=checksum((USHORT*)IcmpSendBuf,sizeof(ICMP_HEADER)+DEF_ICMP_DATA_SIZE);  //计算效验和//记录序列号和当前时间DecodeResult.usSeqNo=((ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf)->seq;    //当前序号DecodeResult.dwRoundTripTime=GetTickCount();              //当前时间//发送TCP回显请求信息sendto(sockRaw,IcmpSendBuf,sizeof(IcmpSendBuf),0,(sockaddr*)&destSockAddr,sizeof(destSockAddr));//接收ICMP差错报文并进行解析处理sockaddr_in from;              //对端socket地址int iFromLen=sizeof(from);     //地址结构大小int iReadDataLen;              //接收数据长度while(1){//接收数据iReadDataLen=recvfrom(sockRaw,IcmpRecvBuf,MAX_ICMP_PACKET_SIZE,0,(sockaddr*)&from,&iFromLen);if(iReadDataLen!=SOCKET_ERROR)//有数据达到{//对数据包进行解码if(DecodeIcmpResponse(IcmpRecvBuf,iReadDataLen,DecodeResult,ICMP_ECHO_REPLY,ICMP_TIMEOUT)){//到达目的地，退出循环if(DecodeResult.dwIPaddr.s_addr==destSockAddr.sin_addr.s_addr)bReachDestHost=true;//输出IP地址cout<<'\t'<<inet_ntoa(DecodeResult.dwIPaddr)<<endl;break;}}else if(WSAGetLastError()==WSAETIMEDOUT) //接收超时，输出星号{cout<<"          *"<<'\t'<<"Request timed out"<<endl;break;}else{break;}}iTTL++;   //递增TTL值}
}

测试结果