利用ICMP实现Traceroute
最近工作中遇到一个需求，就是需要知道我们发出去的请求经过的所有路由IP地址。查了些资料，主要是用ICMP（Internet控制报文协议）。
ICMP
ICMP是IP层的一个组成部分，用来传递错误报文信息的，这个东西运维用得比较多。下图是ICMP在TCP/IP中的位置。
14540545202356
ICMP报文是在数据报内部被传输的，格式如下图：
14540496538467
ICMP报文格式会根据不同的错误类型有不同的格式，但是8位类型，8位代码，16位校验和是必不可少的，如下图：
14540498013133
ICMP报文类型：
14540503478117
ICMP有18种报文类型，每个类型里面又分不同的code。
下面看看几个常见的报文出错类型格式。
ICMP地址掩码请求与应答
14540513973201
ICMP时间戳请求与应答
14540521893396
ICMP不可到达报文
14540522236263
这个报文格式也是我们下面程序实现解析的依据。
Ping跟踪路由的原理
Ping主要用来测试某台主机能否到达，使用的是ICMP请求回显报文，但是同样也提供了IP路由记录选项功能。只需要在ping的时候加上参数-R即可，如：
14540559349951
当开启这个RR选项后，IP数据报在经过路由器的时候，会将IP地址放置IP首部中的选项字段。当数据报到达目的端时，IP地址清单复制到ICMP回显应答中，当ping收到回显应答时，控制台打印出所有的IP地址。
过程很容易理解，但是有两个缺点。第一，ping的RR选项不是所有系统都支持的。第二、保存的IP地址数目是有限的。
为什么说保存的IP地址数目是有限的呢？首先看下IP首部格式：
14540575128044
IP首部的长度有4位首部长度决定，因此IP首部最大长度为15*32bit，也就是60个字节。IP首都固定长度为20个字节，所以选项字段的最大长度也只有40个字节能够用来保存IP地址。
IP地址在IP首部选项中保存的格式：
14540578013803
开启RR选项用去3个字节，剩下也只有37个字节可以使用，每个IP地址占用4个字节，所以最多也就只能保存9个IP地址。如果我们的数据报经过的路由器比较多时，就不准确了。
Traceroute路由跟踪
Traceroute也是用来跟踪IP路由选项的，但是它没有ping的那些限制。Traceroute跟踪路由的原理是通过设置IP数据报的TTL（生存周期）。IP数据报每经过一个路由器的时候，就将TTL减1，如果发现TTL等于0，那么将不会进行再次转发，并将数据报丢弃，并给源地址发送一个ICMP不可到达报文。而这份ICMP报文中包含了该路由器的信息。
所以，Traceroute跟踪路由的大致流程是先发送一个TTL为1的数据报，当第一个路由器处理时，将TTL值减1，然后丢弃该数据报，并返回一个超时ICMP报文，得到第一个IP地址。然后再发送一个TTL为2的数据报，当到第二个路由器的时候，又返回一个IP地址。重复以上步骤，我们会不断得到超时ICMP报文。那我们如何知道我们的数据报何时到达目的主机呢？
Traceroute通过发送一个UDP包，并且端口号是大于30000的。如果目的主机没有任何程序使用该端口，那么主机会产生一份"端口不可到达错误"。所以，我们程序要做的就是解析两种情况下的ICMP报文，一种是超时报文，还有一个是端口不可到达报文。
看下系统的Traceroute运行过程：
终端输入traceroute 115.239.210.27
14540685145024
这个是Wireshark抓包，看到Traceroute运行的过程：
14540684535657
我们可以看到系统的traceroute命令实现是使用采用的UDP，并且发送的端口是大于30000的，并且每次都是端口加1，用来防止端口被目的主机占用的可能，返回的是ICMP报文。
traceroute不能保证每次路由都是一致的，可能会因为路由的选择，结果可能不一定一致，但是大致是相似的。
程序实现
首先看下UDP不可到达格式，下面的代码解析也是根据这个来的：
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可以看到IP数据报格式，由20字节IP首部+ICMP首部+产生差错的数据报IP首部+UDP首部8字节。
struct hostent *_host = gethostbyname([host UTF8String]);
if (_host == NULL) {
//域名解析失败！
return;
}
struct in_addr *addr = (struct in_addr *)_host->h_addr_list[0];
char *ip_addr = inet_ntoa(*addr);
struct sockaddr_in destAddr, fromAddr;
memset(&destAddr, 0, sizeof(destAddr));
destAddr.sin_family = AF_INET;
destAddr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip_addr);
destAddr.sin_port = htons(_sourePort);
//发送采用UDP
if ((send_sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0)) < 0) {
NSLog(@"fail to create send_socket:%s", strerror(errno));
return;
}
//接受ICMP
if ((recv_sock = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, IPPROTO_ICMP)) < 0) {
NSLog(@"fail to create recv_socket:%s", strerror(errno));
return;
}
struct timeval timeout;
memset(&timeout, 0, sizeof(timeout));
timeout.tv_sec = 0;
timeout.tv_usec = _timeout;
//设置超时时间
if (setsockopt(send_sock, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char *)&timeout, sizeof(timeout)) < 0) {
NSLog(@"fail to set socket option:%s", strerror(errno));
return;
}
//设置超时时间
if (setsockopt(recv_sock, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char *)&timeout, sizeof(timeout)) < 0) {
NSLog(@"fail to set socket option:%s", strerror(errno));
return;
}
char recvBuf[1024];
int ttl = 1;
char sendBuf[100];
memset(sendBuf, 0, sizeof(sendBuf));
while (ttl < _maxTTL) {
//设置TTL
if (setsockopt(send_sock, IPPROTO_IP, IP_TTL, &ttl, sizeof(ttl)) < 0) {
NSLog(@"fail to set socket option:%s", strerror(errno));
return;
}
//开始发送
for (int i = 0; i < _maxAttempts; i++) {
destAddr.sin_port = htons(_sourePort++);
if (sendto(send_sock, sendBuf, 0, 0, (struct sockaddr *) &destAddr, sizeof(destAddr)) < 0) {
NSLog(@"fail to send data:%s", strerror(errno));
continue;
}
ssize_t recv;
memset(&fromAddr, 0, sizeof(fromAddr));
memset(&recvBuf, 0, sizeof(recvBuf));
socklen_t len = sizeof(fromAddr);
if ((recv = recvfrom(recv_sock, recvBuf, sizeof(recvBuf), 0, (struct sockaddr *)&fromAddr, &len)) < 0) {
NSLog(@"fail to recv data:code:%d %s", errno,strerror(errno));
if (i == _maxAttempts - 1) {
//超过最大尝试次数后就不再发送了
break;
}
continue;
}
else {
//以下只是数据报的解析了
struct ip *ip = (struct ip*)recvBuf;
int ipLen = ip->ip_hl<<2;
struct icmp *icmp = (struct icmp*)(recvBuf + ipLen);
//整个ICMP报文长度:ICMP首部 + 产生出错的ip首部 + UDP首部8字节
int icmpLen = recv - ipLen;
if (icmpLen < 8) {
continue;
}
if (icmp->icmp_type == ICMP_TIMXCEED
&& icmp->icmp_code == ICMP_TIMXCEED_INTRANS) {
//获取产生出错的ip首部 + UDP首部8字节
if (icmpLen < 8 + sizeof(struct ip)) {
continue;
}
struct ip *errorIP = (struct ip *)(recvBuf + ipLen + 8);
int errorIPLength = errorIP->ip_hl<<2;
if (icmpLen < 8 + errorIPLength + 8) {
continue;
}
struct udphdr *udp = (struct udphdr *)(recvBuf + ipLen + 8 + errorIPLength);
// u_short port = htons(_sourePort);
// u_short po = htons(_sourePort);
// u_char ip_p = errorIP->ip_p;
// errorIP->ip_p == IPPROTO_UDP
char address[16];
memset(&address, 0, sizeof(address));
inet_ntop(AF_INET, &fromAddr.sin_addr.s_addr, address, sizeof (address));
NSString *hostAddress = [NSString stringWithFormat:@"%s",address];
//打印IP地址
NSLog(@"====address:%@", hostAddress);
break;
}
else if (icmp->icmp_type == ICMP_UNREACH
&& icmp->icmp_code == ICMP_UNREACH_PORT) {
//发生端口不可到达
break;
}
else {
NSLog(@"====%d===%d", icmp->icmp_type, icmp->icmp_code);
}
}
}
ttl++;
}
以上代码在真机上是跑不了的，只能在模拟器上。因为iPhone的sdk里面把解析数据报的几个头文件给去掉了。。不过不影响我们对IP获取的需求。实际运行发现，端口不可到达这个报文，不是立马就能得到的，包括系统的traceroute命令也是，系统会不断的发送UDP包，过了好久有可能收到。。。
参考：
TCP/IP协议详解
http://www.cnblogs.com/aLittleBitCool/archive/2011/09/20/2182760.html
