使用 Go 語言實現 ping 工具
ping 是一個網絡工具，它被廣泛地用於測試網絡連接的質量和穩定性。當我們想知道我們的電腦是否能夠與其他設備或服務器進行通信時，ping 就是我們最好的朋友。當我們想偵測網絡之間的連通性和網絡質量的時候，也常常使用 ping 工具測量，因爲它是操作系統常帶的一個網絡診斷工具，小而強大。
ping 最初是由 Mike Muuss 在 1983 年爲 Unix 系統開發的。它的名字是來自於海軍潛艇的聲納系統，聲納系統通過發送一個聲波並測量其返回時間來確定目標的位置。Ping 的工作原理類似，它發送一個小數據包到目標設備，然後等待該設備返回一個響應，以測量其響應時間和延遲。
當我們使用 Ping 測試網絡連接時，它能夠告訴我們兩個重要的指標：延遲和丟包率。延遲是指從發送 ping 請求到接收到響應所需的時間，通常以毫秒爲單位計算。丟包率則是指在 ping 請求和響應之間丟失的數據包的百分比。如果丟包率過高，說明網絡連接可能存在問題，導致數據傳輸不穩定或者甚至無法連接。
除了基本的 ping 命令外，還有許多其他 ping 命令和選項可供使用。例如，可以使用 “-c” 選項指定發送 ping 請求的次數，使用 “-i” 選項指定 Ping 請求之間的時間間隔。此外，還可以使用 “-s” 選項指定發送 ping 請求的數據包大小。
儘管 ping 是一個非常有用的工具，但它也有一些限制。ping 測試的結果可能會受到許多因素的影響，例如網絡擁塞、防火牆、路由器丟棄等等。此外，一些設備或服務器可能已禁用對 ping 請求的響應，因此無法獲得 ping 測試的結果。
儘管它有一些限制，但它仍然是網絡管理員和用戶必備的工具之一。
實現原理
ping 工具是基於 rfc 792 (ICMP 協議)[1] 來實現的。它是一份名爲 “Internet 控制消息協議（ICMP）規範” 的文件，由 Jon Postel 和 J. Reynolds 在 1981 年 9 月發佈。該文檔定義了 ICMP 協議，該協議是 TCP/IP 網絡協議套件中的一個重要組成部分。
ICMP 協議是一種網絡層協議，用於傳輸與網絡控制和錯誤處理相關的消息。該協議通常與 IP 協議一起使用，用於在 Internet 上交換信息。RFC 792 詳細介紹了 ICMP 協議中的不同消息類型及其用途。ping 就是利用發送一個 Echo 請求得到一個 Echo Reply 實現的。
其中：
-
type: 8 代表 echo 消息, 0 代表 echo reply 消息
-
code: 總是 0
-
checksum: 整個消息的校驗和
-
Identifier：用來匹配 echo 和 reply，我們常常使用進程 ID
-
Sequence Number: 序列號，也是用來匹配 echo 和 reply, 比如同一個進程 ID, 不同的序列號代表不同的 echo
-
Data: payload 值。所以我們使用 ping 的時候是可以使用一定大小的數據的，用來測試 MTU 或者什麼
ICMP 是封裝在 IP 包中傳輸的。
等下一篇介紹 traceroute 工具實現的時候，我們還會介紹 ICMP。
對於 ping 來說，就是簡單的發送一個 echo 消息，收到對應的 echo reply 消息後計算時延，如果超時未收到 reply，就計算一次丟包。
比如我們常用的 ping 命令，可以顯示收包情況和時延，你可以指定發送的總數，最後還會有一個統計信息：
本文的介紹和例子都是針對 IPV4 的，IPv6 類似但又有些不同。
你在網上搜ping.c, 很容易搜到通過 C 語言實現的 ping 工具，如果使用 Go 語言，也有幾個實現方式。
“作弊” 方式
最容易的實現方式就是調用操作系統中自帶的 ping 工具:
package main
import (
"fmt"
"os"
"os/exec"
)
func main() {
host := os.Args[1]
output, err := exec.Command("ping", "-c", "3", host).CombinedOutput()
if err != nil {
panic(err)
}
fmt.Println(string(output))
}簡單幾行代碼。
使用 golang.org/x/net/icmp
Go 的 net 擴展庫專門實現了 icmp[2] 協議。我們可以使用它來實現 ping。
插入一個知識點。如果使用 SOCK_RAW 實現 ping，是需要 cap_net_raw 權限的, 你可以通過下面的命令設置:
setcap cap_net_raw=+ep /path/to/your/compiled/binary在 Linux 3.0 新實現 [3] 了一種 Socket 方式，可以實現普通用戶也能執行 ping 命令: socket(PF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_ICMP)
不過你還需要設置:
```shell
sudo sysctl -w net.ipv4.ping_group_range="0 2147483647"首先，我們實現non-privileged ping方式的 ping, icmp 包爲我們做了封裝，所以我們不必使用底層的socket, 而是直接使用icmp.ListenPacket("udp4", "0.0.0.0")來實現。
完整的代碼如下：
package main
import (
"fmt"
"log"
"net"
"os"
"time"
"golang.org/x/net/icmp"
"golang.org/x/net/ipv4"
)
const (
protocolICMP = 1
)
func main() {
if len(os.Args) != 2 {
fmt.Fprintf(os.Stderr, "Usage: %s host\n", os.Args[0])
os.Exit(1)
}
host := os.Args[1]
// 使用icmp得到一個*packetconn,注意這裏的network我們設置的`udp4`
c, err := icmp.ListenPacket("udp4", "0.0.0.0")
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
defer c.Close()
// 生成一個Echo消息
msg := &icmp.Message{
Type: ipv4.ICMPTypeEcho,
Code: 0,
Body: &icmp.Echo{
ID: os.Getpid() & 0xffff,
Seq: 1,
Data: []byte("Hello, are you there!"),
},
}
wb, err := msg.Marshal(nil)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// 發送，注意這裏必須是一個UDP地址
start := time.Now()
if _, err := c.WriteTo(wb, &net.UDPAddr{IP: net.ParseIP(host)}); err != nil {
log.Fatal(err)
}
// 讀取回包
reply := make([]byte, 1500)
err = c.SetReadDeadline(time.Now().Add(5 * time.Second))
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
n, peer, err := c.ReadFrom(reply)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
duration := time.Since(start)
// 得到的回包是一個ICMP消息，先解析出來
msg, err = icmp.ParseMessage(protocolICMP, reply[:n])
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// 打印結果
switch msg.Type {
case ipv4.ICMPTypeEchoReply: // 如果是Echo Reply消息
echoReply, ok := msg.Body.(*icmp.Echo) // 消息體是Echo類型
if !ok {
log.Fatal("invalid ICMP Echo Reply message")
return
}
// 這裏可以通過ID, Seq、遠程地址來進行判斷，下面這個只使用了兩個判斷條件，是有風險的
// 如果此時有其他程序也發送了ICMP Echo,序列號一樣，那麼就可能是別的程序的回包，只不過這個幾率比較小而已
// 如果再加上ID的判斷，就精確了
if peer.(*net.UDPAddr).IP.String() == host && echoReply.Seq == 1 {
fmt.Printf("Reply from %s: seq=%d time=%v\n", host, msg.Body.(*icmp.Echo).Seq, duration)
return
}
default:
fmt.Printf("Unexpected ICMP message type: %v\n", msg.Type)
}
}關鍵代碼都加了註釋，主要注意回包的解析和回包的判斷。尤其是回包的判斷，我們在下一章實現 traceroute 的時候尤其需要注意這一點。
使用 ip4:icmp 實現
即使我們想實現 privileged ping，我們也不需要直接使用 raw socket，還是使用 icmp 包。
在這種場景下，我們的 network 需要是ip4:icmp, 能夠發送 ICMP 包，而不是上面的udp4。
package main
import (
"fmt"
"log"
"net"
"os"
"time"
"golang.org/x/net/icmp"
"golang.org/x/net/ipv4"
)
const (
protocolICMP = 1
)
func main() {
if len(os.Args) != 2 {
fmt.Fprintf(os.Stderr, "usage: %s host\n", os.Args[0])
os.Exit(1)
}
host := os.Args[1]
// 解析目標主機的 IP 地址
dst, err := net.ResolveIPAddr("ip", host)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// 創建 ICMP 連接
conn, err := icmp.ListenPacket("ip4:icmp", "0.0.0.0")
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
defer conn.Close()
// 構造 ICMP 報文
msg := &icmp.Message{
Type: ipv4.ICMPTypeEcho,
Code: 0,
Body: &icmp.Echo{
ID: os.Getpid() & 0xffff,
Seq: 1,
Data: []byte("Hello, are you there!"),
},
}
msgBytes, err := msg.Marshal(nil)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// 發送 ICMP 報文
start := time.Now()
_, err = conn.WriteTo(msgBytes, dst)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// 接收 ICMP 報文
reply := make([]byte, 1500)
for i := 0; i < 3; i++ {
err = conn.SetReadDeadline(time.Now().Add(5 * time.Second))
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
n, peer, err := conn.ReadFrom(reply)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
duration := time.Since(start)
// 解析 ICMP 報文
msg, err = icmp.ParseMessage(protocolICMP, reply[:n])
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
// 打印結果
switch msg.Type {
case ipv4.ICMPTypeEchoReply:
echoReply, ok := msg.Body.(*icmp.Echo)
if !ok {
log.Fatal("invalid ICMP Echo Reply message")
return
}
if peer.String() == host && echoReply.ID == os.Getpid()&0xffff && echoReply.Seq == 1 {
fmt.Printf("reply from %s: seq=%d time=%v\n", dst.String(), msg.Body.(*icmp.Echo).Seq, duration)
return
}
default:
fmt.Printf("unexpected ICMP message type: %v\n", msg.Type)
}
}
}和上面的例子比較，主要是發送的邏輯不一樣，大同小異，發送額度內容都是 ICMP Echo 消息，只不過這次發送的失效，地址不是 UDP 地址，而是 IP 地址。
使用 go-ping
雖然 Go net 擴展庫提供了 icmp 包，方便我們實現 ping 能力，但是代碼還是有點偏底層的處理，網上有一個 go-ping/ping[4] 庫，還是被使用很多的，提供了更高級或者說更傻瓜的方法。
三年了，疫情給世界帶來的影響已經潛移默化到影響到互聯網，影響到開源社區。我看到很多的開源項目因爲一些原因都不再維護了，包括這個go-ping項目，光靠作者用愛發電無法做到持久，有點遺憾，不過好歹是它已經比較成熟了，我們項目中使用沒有問題。prometheus 社區基於這個項目，維護了一個新的項目：pro-bing[5]。
它的 README 文檔中的例子已經很少的解釋了它的使用方法，你可以利用它實現一個類似 ping 工具的功能，如果想大批量實現 ping 的功能，這個庫就不合適了。
下面代碼就是一個 ping 的基本功能，沒什麼好說的，ping3 次得到結果:
// ping 並收集結果
pinger, err := probing.NewPinger("github.com")
if err != nil {
panic(err)
}
// ping的次數
pinger.Count = 3
err = pinger.Run() // 阻塞直到完成或者超時
if err != nil {
panic(err)
}
stats := pinger.Statistics() // 得到統計結果
pretty.Println(stats)如果要實現 Linux 下 ping 的功能，可以稍微複雜些:
pinger, err = probing.NewPinger("github.com")
if err != nil {
panic(err)
}
// Listen for Ctrl-C.
c := make(chan os.Signal, 1)
signal.Notify(c, os.Interrupt)
go func() {
for _ = range c {
pinger.Stop()
}
}()
pinger.OnRecv = func(pkt *probing.Packet) {
fmt.Printf("%d bytes from %s: icmp_seq=%d time=%v\n",
pkt.Nbytes, pkt.IPAddr, pkt.Seq, pkt.Rtt)
}
pinger.OnDuplicateRecv = func(pkt *probing.Packet) {
fmt.Printf("%d bytes from %s: icmp_seq=%d time=%v ttl=%v (DUP!)\n",
pkt.Nbytes, pkt.IPAddr, pkt.Seq, pkt.Rtt, pkt.TTL)
}
pinger.OnFinish = func(stats *probing.Statistics) {
fmt.Printf("\n--- %s ping statistics ---\n", stats.Addr)
fmt.Printf("%d packets transmitted, %d packets received, %v%% packet loss\n",
stats.PacketsSent, stats.PacketsRecv, stats.PacketLoss)
fmt.Printf("round-trip min/avg/max/stddev = %v/%v/%v/%v\n",
stats.MinRtt, stats.AvgRtt, stats.MaxRtt, stats.StdDevRtt)
}
fmt.Printf("PING %s (%s):\n", pinger.Addr(), pinger.IPAddr())
err = pinger.Run()
if err != nil {
panic(err)
}前面也說了，處理返回的消息並和發送請求做匹配是一個技術點，那麼 go-ping 是怎麼實現的呢? 主要是下面的代碼:
switch pkt := m.Body.(type) {
case *icmp.Echo:
if !p.matchID(pkt.ID) {
return nil
}
if len(pkt.Data) < timeSliceLength+trackerLength {
return fmt.Errorf("insufficient data received; got: %d %v",
len(pkt.Data), pkt.Data)
}
pktUUID, err := p.getPacketUUID(pkt.Data)
if err != nil || pktUUID == nil {
return err
}
timestamp := bytesToTime(pkt.Data[:timeSliceLength])
inPkt.Rtt = receivedAt.Sub(timestamp)
inPkt.Seq = pkt.Seq
// 檢查是否收到重複的包
if _, inflight := p.awaitingSequences[*pktUUID][pkt.Seq]; !inflight {
p.PacketsRecvDuplicates++
if p.OnDuplicateRecv != nil {
p.OnDuplicateRecv(inPkt)
}
return nil
}
// 已經得到返回結果
delete(p.awaitingSequences[*pktUUID], pkt.Seq)
p.updateStatistics(inPkt)
default:
// Very bad, not sure how this can happen
return fmt.Errorf("invalid ICMP echo reply; type: '%T', '%v'", pkt, pkt)
}首先檢查 body 必須是*icmp.Echo類型，這是基本操作。接着檢查 pkt.ID, 這一下就把非本程序的包 ICMP echo reply 包過濾了。
這裏它在發送的 payload 中還加上自己的 uuid 和發送的時間戳。
這裏還處理了重複的包， uuid+seq 標識同一個 Echo 請求。
通過這幾個例子，你應該瞭解了 ping 工具的底層實現，收藏起來，遇到相關的問題的時候不妨返回來查一查。
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