C++ 实现的Ping类的封装

简介: Ping 使用 Internet 控制消息协议(ICMP)来测试主机之间的连接。当用户发送一个 ping 请求时,则对应的发送一个 ICMP Echo 请求消息到目标主机,并等待目标主机回复一个 ICMP Echo 回应消息。如果目标主机接收到请求并且网络连接正常,则会返回一个回应消息,表示主机之间的网络连接是正常的。如果目标主机没有收到请求消息或网络连接不正常,则不会有回应消息返回。

Ping 使用 Internet 控制消息协议(ICMP)来测试主机之间的连接。当用户发送一个 ping 请求时,则对应的发送一个 ICMP Echo 请求消息到目标主机,并等待目标主机回复一个 ICMP Echo 回应消息。如果目标主机接收到请求并且网络连接正常,则会返回一个回应消息,表示主机之间的网络连接是正常的。如果目标主机没有收到请求消息或网络连接不正常,则不会有回应消息返回。

编译报错问题解决

Windows环境下编程不可避免的会用到windows.hwinsock.h头文件,在默认情况下windows.h头文件会包含winsock.h,此时当尝试包含winsock.h时就会出现头文件定义冲突的情况。解决这个冲突的方式有两种,第一种,在头部定义#define WIN32_LEAN_AND_MEAN来主动去除winsock.h头文件包含。第二种是将#include <winsock2.h>头文件,放在#include<windows.h>之前。两种方式均可,这些方法在进行Windows套接字编程时非常重要,可以防止头文件冲突,确保编译顺利进行。

Ping头文件

如下头文件代码定义了几个结构体,用于表示IP协议头、ICMP协议头和Ping的回复信息。这些结构体主要用于网络编程中,解析和构建网络数据包。

#pragma once
#include <winsock2.h>
#pragma comment(lib, "WS2_32")

#define DEF_PACKET_SIZE 32
#define ECHO_REQUEST 8
#define ECHO_REPLY 0

struct IPHeader
{
   
   
  BYTE m_byVerHLen;           // 4位版本+4位首部长度
  BYTE m_byTOS;               // 服务类型
  USHORT m_usTotalLen;        // 总长度
  USHORT m_usID;              // 标识
  USHORT m_usFlagFragOffset;  // 3位标志+13位片偏移
  BYTE m_byTTL;               // TTL
  BYTE m_byProtocol;          // 协议
  USHORT m_usHChecksum;       // 首部检验和
  ULONG m_ulSrcIP;            // 源IP地址
  ULONG m_ulDestIP;           // 目的IP地址
};

struct ICMPHeader
{
   
   
  BYTE m_byType;            // 类型
  BYTE m_byCode;            // 代码
  USHORT m_usChecksum;      // 检验和 
  USHORT m_usID;            // 标识符
  USHORT m_usSeq;           // 序号
  ULONG m_ulTimeStamp;      // 时间戳(非标准ICMP头部)
};

struct PingReply
{
   
   
  USHORT m_usSeq;            // 来源IP
  DWORD m_dwRoundTripTime;   // 时间戳
  DWORD m_dwBytes;           // 返回长度
  DWORD m_dwTTL;             // TTL值
};

class CPing
{
   
   
public:
  CPing(); // 构造函数
  ~CPing(); // 析构函数

  // 执行 Ping 操作的方法,传入目标 IP 地址或域名、PingReply 结构体和超时时间
  BOOL Ping(DWORD dwDestIP, PingReply *pPingReply = NULL, DWORD dwTimeout = 2000);
  BOOL Ping(char *szDestIP, PingReply *pPingReply = NULL, DWORD dwTimeout = 2000);

private:
  // Ping 核心方法,传入目标 IP 地址、PingReply 结构体和超时时间
  BOOL PingCore(DWORD dwDestIP, PingReply *pPingReply, DWORD dwTimeout);

  // 计算检验和的方法,传入缓冲区和大小
  USHORT CalCheckSum(USHORT *pBuffer, int nSize);

  // 获取时钟计时器的校准值
  ULONG GetTickCountCalibrate();

private:
  SOCKET m_sockRaw;        // 原始套接字
  WSAEVENT m_event;        // WSA 事件
  USHORT m_usCurrentProcID; // 当前进程 ID
  char *m_szICMPData;      // ICMP 数据
  BOOL m_bIsInitSucc;      // 初始化是否成功

private:
  static USHORT s_usPacketSeq; // 静态变量,用于记录 ICMP 包的序列号
};

下面是对每个结构体成员的简要说明:

  1. IPHeader 结构体:
    • m_byVerHLen: 4位版本号 + 4位首部长度。
    • m_byTOS: 服务类型。
    • m_usTotalLen: 总长度。
    • m_usID: 标识。
    • m_usFlagFragOffset: 3位标志 + 13位片偏移。
    • m_byTTL: 生存时间。
    • m_byProtocol: 协议类型。
    • m_usHChecksum: 首部检验和。
    • m_ulSrcIP: 源IP地址。
    • m_ulDestIP: 目的IP地址。
  2. ICMPHeader 结构体:
    • m_byType: ICMP类型。
    • m_byCode: ICMP代码。
    • m_usChecksum: 检验和。
    • m_usID: 标识符。
    • m_usSeq: 序号。
    • m_ulTimeStamp: 时间戳(非标准ICMP头部)。
  3. PingReply 结构体:
    • m_usSeq: 序列号。
    • m_dwRoundTripTime: 往返时间。
    • m_dwBytes: 返回长度。
    • m_dwTTL: TTL值。

这些结构体主要用于在网络编程中处理与IP、ICMP和Ping相关的数据包。在实际应用中,可以使用这些结构体来解析接收到的网络数据包,或者构建要发送的数据包。

类成员说明:

  • m_sockRaw: 用于发送原始套接字的成员变量。
  • m_event: WSA 事件。
  • m_usCurrentProcID: 当前进程 ID。
  • m_szICMPData: ICMP 数据。
  • m_bIsInitSucc: 初始化是否成功的标志。
  • s_usPacketSeq: 静态变量,用于记录 ICMP 包的序列号。

类方法说明:

  • Ping: 执行 Ping 操作的方法,可以传入目标 IP 地址或域名、PingReply 结构体和超时时间。
  • PingCore: Ping 核心方法,用于发送 ICMP 数据包,计算往返时间等。
  • CalCheckSum: 计算检验和的方法。
  • GetTickCountCalibrate: 获取时钟计时器的校准值。

MyPing实现

1. CPing 构造函数和析构函数

CPing::CPing() : m_szICMPData(NULL), m_bIsInitSucc(FALSE)
{
   
   
  // ...(省略其他初始化代码)

  m_szICMPData = (char*)malloc(DEF_PACKET_SIZE + sizeof(ICMPHeader));

  if (m_szICMPData == NULL)
  {
   
   
    m_bIsInitSucc = FALSE;
  }
}

CPing::~CPing()
{
   
   
  WSACleanup();

  if (NULL != m_szICMPData)
  {
   
   
    free(m_szICMPData);
    m_szICMPData = NULL;
  }
}

构造函数中,首先进行 Winsock 初始化,创建原始套接字,并分配内存用于存储 ICMP 数据。如果分配内存失败,则初始化标志 m_bIsInitSucc 置为 FALSE。析构函数负责清理 Winsock 资源和释放内存。

2. PingCore 函数

BOOL CPing::PingCore(DWORD dwDestIP, PingReply *pPingReply, DWORD dwTimeout)
{
   
   
  // ...(省略其他代码)

  if (!m_bIsInitSucc)
  {
   
   
    return FALSE;
  }

  // ...(省略其他代码)

  if (sendto(m_sockRaw, m_szICMPData, nICMPDataSize, 0, (struct sockaddr*)&sockaddrDest, nSockaddrDestSize) == SOCKET_ERROR)
  {
   
   
    return FALSE;
  }

  // ...(省略其他代码)

  char recvbuf[256] = {
   
    "\0" };
  while (TRUE)
  {
   
   
    // ...(省略其他代码)

    if (WSAWaitForMultipleEvents(1, &m_event, FALSE, 100, FALSE) != WSA_WAIT_TIMEOUT)
    {
   
   
      WSANETWORKEVENTS netEvent;
      WSAEnumNetworkEvents(m_sockRaw, m_event, &netEvent);

      if (netEvent.lNetworkEvents & FD_READ)
      {
   
   
        // ...(省略其他代码)

        if (nPacketSize != SOCKET_ERROR)
        {
   
   
          IPHeader *pIPHeader = (IPHeader*)recvbuf;
          USHORT usIPHeaderLen = (USHORT)((pIPHeader->m_byVerHLen & 0x0f) * 4);
          ICMPHeader *pICMPHeader = (ICMPHeader*)(recvbuf + usIPHeaderLen);

          if (pICMPHeader->m_usID == m_usCurrentProcID && pICMPHeader->m_byType == ECHO_REPLY && pICMPHeader->m_usSeq == usSeq)
          {
   
   
            // ...(省略其他代码)

            return TRUE;
          }
        }
      }
    }
    // ...(省略其他代码)

    if (GetTickCountCalibrate() - ulSendTimestamp >= dwTimeout)
    {
   
   
      return FALSE;
    }
  }
}

PingCore 函数是 Ping 工具的核心部分,负责构建 ICMP 报文、发送报文、接收响应报文,并进行超时处理。通过循环等待接收事件,实时检测是否有 ICMP 响应报文到达。在接收到响应后,判断响应是否符合预期条件,如果符合则填充 pPingReply 结构体,并返回 TRUE

3. CalCheckSum 函数

USHORT CPing::CalCheckSum(USHORT *pBuffer, int nSize)
{
   
   
  unsigned long ulCheckSum = 0;
  while (nSize > 1)
  {
   
   
    ulCheckSum += *pBuffer++;
    nSize -= sizeof(USHORT);
  }
  if (nSize)
  {
   
   
    ulCheckSum += *(UCHAR*)pBuffer;
  }

  ulCheckSum = (ulCheckSum >> 16) + (ulCheckSum & 0xffff);
  ulCheckSum += (ulCheckSum >> 16);

  return (USHORT)(~ulCheckSum);
}

CalCheckSum 函数用于计算 ICMP 报文的校验和。校验和的计算采用了累加和的方法,最后对累加和进行溢出处理。计算完成后,返回取反后的校验和。

4. GetTickCountCalibrate 函数

ULONG CPing::GetTickCountCalibrate()
{
   
   
  // ...(省略其他代码)

  return s_ulFirstCallTick + (ULONG)(llCurrentTimeMS - s_ullFirstCallTickMS);
}

GetTickCountCalibrate 函数用于获取经过调校的系统时间。通过计算系统时间相对于 Ping 工具启动时的时间差,实现对系统时间的校准。这样做是为了处理系统时间溢出的情况。

5. Ping 函数

BOOL CPing::Ping(DWORD dwDestIP, PingReply *pPingReply, DWORD dwTimeout)
{
   
   
  return PingCore(dwDestIP, pPingReply, dwTimeout);
}

BOOL CPing::Ping(char *szDestIP, PingReply *pPingReply, DWORD dwTimeout)
{
   
   
  if (NULL != szDestIP)
  {
   
   
    return PingCore(inet_addr(szDestIP), pPingReply, dwTimeout);
  }
  return FALSE;
}

Ping 函数是对 PingCore 函数的封装,根据目标 IP 地址调用 PingCore 进行 Ping

最后的MyPing.cpp完整实现如下所示;

#include "MyPing.h"

USHORT CPing::s_usPacketSeq = 0;

// 构造函数
CPing::CPing() :m_szICMPData(NULL), m_bIsInitSucc(FALSE)
{
   
   
  WSADATA WSAData;

  if (WSAStartup(MAKEWORD(1, 1), &WSAData) != 0)
  {
   
   
    // 如果初始化不成功则返回
    return;
  }
  m_event = WSACreateEvent();
  m_usCurrentProcID = (USHORT)GetCurrentProcessId();
  m_sockRaw = WSASocket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP, NULL, 0, 0);
  if (m_sockRaw == INVALID_SOCKET)
  {
   
   
    // 10013 以一种访问权限不允许的方式做了一个访问套接字的尝试
    return;
  }
  else
  {
   
   
    WSAEventSelect(m_sockRaw, m_event, FD_READ);
    m_bIsInitSucc = TRUE;

    m_szICMPData = (char*)malloc(DEF_PACKET_SIZE + sizeof(ICMPHeader));

    if (m_szICMPData == NULL)
    {
   
   
      m_bIsInitSucc = FALSE;
    }
  }
}

// 析构函数
CPing::~CPing()
{
   
   
  WSACleanup();

  if (NULL != m_szICMPData)
  {
   
   
    free(m_szICMPData);
    m_szICMPData = NULL;
  }
}

// Ping 方法,传入目标 IP 地址或域名、PingReply 结构体和超时时间
BOOL CPing::Ping(DWORD dwDestIP, PingReply *pPingReply, DWORD dwTimeout)
{
   
   
  return PingCore(dwDestIP, pPingReply, dwTimeout);
}

// Ping 方法,传入目标 IP 地址或域名、PingReply 结构体和超时时间
BOOL CPing::Ping(char *szDestIP, PingReply *pPingReply, DWORD dwTimeout)
{
   
   
  if (NULL != szDestIP)
  {
   
   
    return PingCore(inet_addr(szDestIP), pPingReply, dwTimeout);
  }
  return FALSE;
}

// Ping 核心方法,传入目标 IP 地址、PingReply 结构体和超时时间
BOOL CPing::PingCore(DWORD dwDestIP, PingReply *pPingReply, DWORD dwTimeout)
{
   
   
  // 判断初始化是否成功
  if (!m_bIsInitSucc)
  {
   
   
    return FALSE;
  }

  // 配置 SOCKET
  sockaddr_in sockaddrDest;
  sockaddrDest.sin_family = AF_INET;
  sockaddrDest.sin_addr.s_addr = dwDestIP;
  int nSockaddrDestSize = sizeof(sockaddrDest);

  // 构建 ICMP 包
  int nICMPDataSize = DEF_PACKET_SIZE + sizeof(ICMPHeader);
  ULONG ulSendTimestamp = GetTickCountCalibrate();
  USHORT usSeq = ++s_usPacketSeq;
  memset(m_szICMPData, 0, nICMPDataSize);
  ICMPHeader *pICMPHeader = (ICMPHeader*)m_szICMPData;
  pICMPHeader->m_byType = ECHO_REQUEST;
  pICMPHeader->m_byCode = 0;
  pICMPHeader->m_usID = m_usCurrentProcID;
  pICMPHeader->m_usSeq = usSeq;
  pICMPHeader->m_ulTimeStamp = ulSendTimestamp;
  pICMPHeader->m_usChecksum = CalCheckSum((USHORT*)m_szICMPData, nICMPDataSize);

  // 发送 ICMP 报文
  if (sendto(m_sockRaw, m_szICMPData, nICMPDataSize, 0, (struct sockaddr*)&sockaddrDest, nSockaddrDestSize) == SOCKET_ERROR)
  {
   
   
    return FALSE;
  }

  // 判断是否需要接收相应报文
  if (pPingReply == NULL)
  {
   
   
    return TRUE;
  }

  char recvbuf[256] = {
   
    "\0" };
  while (TRUE)
  {
   
   
    // 接收响应报文
    if (WSAWaitForMultipleEvents(1, &m_event, FALSE, 100, FALSE) != WSA_WAIT_TIMEOUT)
    {
   
   
      WSANETWORKEVENTS netEvent;
      WSAEnumNetworkEvents(m_sockRaw, m_event, &netEvent);

      if (netEvent.lNetworkEvents & FD_READ)
      {
   
   
        ULONG nRecvTimestamp = GetTickCountCalibrate();
        int nPacketSize = recvfrom(m_sockRaw, recvbuf, 256, 0, (struct sockaddr*)&sockaddrDest, &nSockaddrDestSize);
        if (nPacketSize != SOCKET_ERROR)
        {
   
   
          IPHeader *pIPHeader = (IPHeader*)recvbuf;
          USHORT usIPHeaderLen = (USHORT)((pIPHeader->m_byVerHLen & 0x0f) * 4);
          ICMPHeader *pICMPHeader = (ICMPHeader*)(recvbuf + usIPHeaderLen);

          if (pICMPHeader->m_usID == m_usCurrentProcID    // 是当前进程发出的报文
            && pICMPHeader->m_byType == ECHO_REPLY      // 是 ICMP 响应报文
            && pICMPHeader->m_usSeq == usSeq            // 是本次请求报文的响应报文
            )
          {
   
   
            pPingReply->m_usSeq = usSeq;
            pPingReply->m_dwRoundTripTime = nRecvTimestamp - pICMPHeader->m_ulTimeStamp;
            pPingReply->m_dwBytes = nPacketSize - usIPHeaderLen - sizeof(ICMPHeader);
            pPingReply->m_dwTTL = pIPHeader->m_byTTL;
            return TRUE;
          }
        }
      }
    }
    // 超时
    if (GetTickCountCalibrate() - ulSendTimestamp >= dwTimeout)
    {
   
   
      return FALSE;
    }
  }
}

// 计算检验和的方法
USHORT CPing::CalCheckSum(USHORT *pBuffer, int nSize)
{
   
   
  unsigned long ulCheckSum = 0;
  while (nSize > 1)
  {
   
   
    ulCheckSum += *pBuffer++;
    nSize -= sizeof(USHORT);
  }
  if (nSize)
  {
   
   
    ulCheckSum += *(UCHAR*)pBuffer;
  }

  ulCheckSum = (ulCheckSum >> 16) + (ulCheckSum & 0xffff);
  ulCheckSum += (ulCheckSum >> 16);

  return (USHORT)(~ulCheckSum);
}

// 获取时钟计时器的校准值
ULONG CPing::GetTickCountCalibrate()
{
   
   
  static ULONG s_ulFirstCallTick = 0;
  static LONGLONG s_ullFirstCallTickMS = 0;

  SYSTEMTIME systemtime;
  FILETIME filetime;
  GetLocalTime(&systemtime);
  SystemTimeToFileTime(&systemtime, &filetime);
  LARGE_INTEGER liCurrentTime;
  liCurrentTime.HighPart = filetime.dwHighDateTime;
  liCurrentTime.LowPart = filetime.dwLowDateTime;
  LONGLONG llCurrentTimeMS = liCurrentTime.QuadPart / 10000;

  if (s_ulFirstCallTick == 0)
  {
   
   
    s_ulFirstCallTick = GetTickCount();
  }
  if (s_ullFirstCallTickMS == 0)
  {
   
   
    s_ullFirstCallTickMS = llCurrentTimeMS;
  }

  return s_ulFirstCallTick + (ULONG)(llCurrentTimeMS - s_ullFirstCallTickMS);
}

如何使用

在主程序中直接引入头文件MyPing.h,并在main()函数中直接调用CPing类即可实现探测主机是否存活。

探测主机是否存活

#include "MyPing.h"
#include <iostream>

// 探测主机是否存活
bool TestPing(char *szIP)
{
   
   
    CPing objPing;
    PingReply reply;

    objPing.Ping(szIP, &reply);

    if (reply.m_dwTTL >= 10 && reply.m_dwTTL <= 255)
    {
   
   
        return true;
    }
    return false;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
   
   
    bool is_open = TestPing("202.89.233.100");
    std::cout << "本机是否存活: " << is_open << std::endl;

    system("pause");
    return 0;
}

运行效果如下所示;

模拟系统Ping测试

#include "MyPing.h"
#include <iostream>

// 模拟系统Ping测试
void SystemPing(char *szIP, int szCount)
{
   
   
    CPing objPing;
    PingReply reply;
    for (int x = 0; x < szCount; x++)
    {
   
   
        objPing.Ping(szIP, &reply);

        std::cout << "探测主机: " << szIP << " 默认字节: " << DEF_PACKET_SIZE << " 发送长度: " << reply.m_dwBytes << " 时间: " << reply.m_dwRoundTripTime << " TTL: " << reply.m_dwTTL << std::endl;
        Sleep(1000);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
   
   
    SystemPing("202.89.233.100", 5);

    system("pause");
    return 0;
}

运行效果如下所示;

参考资料

代码的实现来源于博客园Snser博主,此处仅用于功能收录以便于后期在项目中应用。

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