目录
1.TraceRoute原理
2.ICMP
3.实现过程
4.具体实现
5.代码
6.结果
7.参考
从源主机向目标主机发送IP数据报，并按顺序将TTL设置为从1开始递增的数字（假设为N），导致第N个节点（中间节点 or 目标主机）丢弃数据报并返回出错信息。源主机根据接收到的错误信息，确定到达目标主机路径上的所有节点的IP，以及对应的耗时。
设置TTL字段的目的是为了防止数据报由于选路错误或其他软硬件原因从而导致在网络中无休止的流动，TTL字段指定了数据报的生存时间。TTL的初始值由源主机设置，当一份数据报经过路由器时，处理该数据报的路由器都需要把TTL值减去数据报在路由器中停留的秒数。但事实上大多数路由器只是简单地将TTL值减1，因此TTL字段最终被实现为一个跳站计数器。当TTL字段的值被减为0时，路由器就不会转发该数据报，而是将其丢弃，并产生一份ICMP超时差错报文发往源主机以通知错误的发生。TraceRoute程序的关键就在于返回的这份ICMP超时差错报文的源地址就是途经路由器的IP地址。由此，通过依次递增TTL字段的值，就可以得到一份数据报在其传输路径上所经过的路由信息。
TraceRoute程序在具体实现时，是令其向目的主机发送一个ICMP回显请求（Echo request）消息，并重复递增IP头部TTL字段的值。刚开始的时候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，因此该路由器生成一份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报文能传递到下一个路由器，下一个路由器将会生成ICMP超时超时差错报文返回给源主机。不断重复这个过程，直到数据报到达最终的目的主机，此时目的主机将返回ICMP回显应答（Echo replay）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的主机途中所经过的路由信息。
ICMP(Internet Control Message Protocol),即Internet控制报文协议，它是TCP/IP协议族的一个子协议,属于网络层面向无连接的协议,主要用于在主机与路由器之间传递控制信息,包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息。ICMP报文被包装成IP数据包传到数据链路层进行传输。通过ICMP协议，主机和路由器可以报告错误并交换相关的状态信息。ICMP对于TCP/IP协议的可靠运行是至关重要的。
图2.ICMP结构
图2 . Traceroute原理
客户端发送一个TTL为1的ICMP请求回显数据包，在第一跳的时候超时并返回一个ICMP超时数据包，得到第一跳的地址。
客户端发送一个TTL为2的ICMP请求回显数据包，得到第二跳的地址。
客户端发送一个TTL为3的ICMP请求回显数据包，到达目标主机，目标主机返回一个ICMP回显应答，traceroute结束。
获取IP地址，初始化socket，设置序号为0，TTL为1；
如果没到达目标且跳数不超过30，执行步骤3，否则执行步骤7;
记录当前时间和序列号，填充ICMP数据部分；
发送ICMP的EchoRequest数据报；
接收ICMP的EchoReply数据报；接收正确的数据报执行步骤6，否则执行步骤7;
打印结果，TTL+1，执行步骤4；
关闭socket，退出程序；
图3. 程序流程图
头文件
//TraceRoute.h #ifndef TRACEROUTE_H_INCLUDED #define TRACEROUTE_H_INCLUDED #pragma pack(1) //IP数据报头 typedef struct { unsigned char hdr_len :4; // 4位首部长度 unsigned char version :4; // 4位版本 unsigned char tos; // 8位服务类型 unsigned short total_len; // 16位总长度（字节数） unsigned short identifier; // 16位标识 unsigned short frag_and_flags; // 3位标志 13位片偏移 unsigned char ttl; // 8位生存时间 unsigned char protocol; // 8位协议 (TCP, UDP etc) unsigned short checksum; // 16位首部校验和 unsigned long sourceIP; // 32位原地址 unsigned long destIP; // 32位目的IP地址 } IP_HEADER; //ICMP数据报头 typedef struct { BYTE type; //8位类型 BYTE code; //8位代码 USHORT cksum; //16位校验和 USHORT id; //16位标识符 USHORT seq; //16位序列号 } ICMP_HEADER; //解码结果 typedef struct { USHORT usSeqNo; //包序列号 DWORD dwRoundTripTime; //往返时间 in_addr dwIPaddr; //对端IP地址 } DECODE_RESULT; #pragma pack() //ICMP类型字段 const BYTE ICMP_ECHO_REPLY = 0; //回显应答 const BYTE ICMP_ECHO_REQUEST = 8; //请求回显 const BYTE ICMP_TIMEOUT = 11; //传输超时 const DWORD DEF_ICMP_TIMEOUT = 3000; //默认超时时间，单位ms const int DEF_ICMP_DATA_SIZE = 32; //默认ICMP数据部分长度 const int MAX_ICMP_PACKET_SIZE = 1024; //最大ICMP数据报的大小 const int DEF_MAX_HOP = 30; //最大跳站数 USHORT GenerateChecksum(USHORT* pBuf, int iSize); BOOL DecodeIcmpResponse(char* pBuf, int iPacketSize, DECODE_RESULT& stDecodeResult); #endif // TRACEROUTE_H_INCLUDED主文件
//TraceRoute.cpp /*---------------------------------------------------------- 功能说明： 该程序简单实现了Windows操作系统的tracert命令功能， 可以输出IP报文从本机出发到达目的主机所经过的路由信息。 -----------------------------------------------------------*/ #include <iostream> #include <iomanip> #include <winsock2.h> #include <ws2tcpip.h> #include <stdio.h> #include "TraceRoute.h" #pragma comment(lib,"ws2_32") using namespace std; int main() { while(1) { /*存放 IP*/ char ipString[100]; cout<<"TraceRoute:"; scanf("%s",ipString); //char *ipString = "www.baidu.com"; /*初始化winsock2环境*/ WSADATA wsa;//一种数据结构。这个结构被用来存储被WSAStartup函数调用后返回的Windows Sockets数据 if (WSAStartup(MAKEWORD(2, 2), &wsa) != 0)//进行相应的socket库绑定,MAKEWORD(2,2)表示使用WINSOCK2版本 { cerr << "\nFailed to initialize the WinSock2 DLL\n"<< "error code: " << WSAGetLastError() << endl;//Cerr通常用于输出错误信息与其他不属于正常逻辑的输出内容 return -1; } /*将命令行参数转换为IP地址*/ u_long ulDestIP = inet_addr(ipString);//将一个点分十进制的IP转换成一个长整数型数（u_long类型） //cout<<"测试————"<<"长整型数"<<ulDestIP<<endl; if (ulDestIP == INADDR_NONE)//INADDR_NONE 是个宏定义，代表IpAddress 无效的IP地址。 { //转换不成功时按域名解析 hostent* pHostent = gethostbyname(ipString);//返回对应于给定主机名的包含主机名字和地址信息的hostent结构的指针 if (pHostent) { ulDestIP = (*(in_addr*)pHostent->h_addr).s_addr;//in_addr 用来表示一个32位的IPv4地址. /cout<<"测试————"<<"ip地址"<<ulDestIP<<endl; //输出屏幕信息 cout << "\nTracing route to " << ipString << " [" << inet_ntoa(*(in_addr*)(&ulDestIP)) << "]"//将网络地址转换成“.”点隔的字符串格式 << " with a maximum of " << DEF_MAX_HOP << " hops.\n" << endl;//DEF_MAX_HOP 最大跳站数 } else //解析主机名失败 { cerr << "\nCould not resolve the host name " << ipString << '\n' << "error code: " << WSAGetLastError() << endl; WSACleanup();//终止Winsock 2 DLL (Ws2_32.dll) 的使用 return -1; } } else { //输出屏幕信息 cout << "Tracing route to " << ipString << " with a maximum of " << DEF_MAX_HOP << " hops." << endl; } //填充目的Socket地址 //struct sockaddr_in Lewis; // Lewis.sin_family = AF_INET;//表示地址类型，对于基于TCP/IP传输协议的通信，该值只能是AF_INET； // Lewis.sin_port = htons(80);//表示端口号，例如：21 或者 80 // Lewis.sin_addr.s_addr = inet_addr("202.96.134.133");//表示32位的IP地址 // memset(Lewis.sin_zero,0,sizeof(Lewis.sin_zero));//表示填充字节 sockaddr_in destSockAddr;//用来处理网络通信的地址 ZeroMemory(&destSockAddr, sizeof(sockaddr_in));//用0来填充一块内存区域 destSockAddr.sin_family = AF_INET;//sin_family;//地址族 协议簇 AF_INET（TCP/IP – IPv4） destSockAddr.sin_addr.s_addr = ulDestIP;//s_addr 32位IPv4地址 //使用ICMP协议创建Raw Socket SOCKET sockRaw = WSASocket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP, NULL, 0, WSA_FLAG_OVERLAPPED);//套接字类型：原始套接字，IPPROTO_ICMP表示ICMP报头由程序构造，iFlags：套接口属性描述 if (sockRaw == INVALID_SOCKET)//无效套接字 { cerr << "\nFailed to create a raw socket\n" << "error code: " << WSAGetLastError() << endl; WSACleanup(); return -1; } //设置端口属性 int iTimeout = DEF_ICMP_TIMEOUT;//3000ms //cout<<"测试————"<<"TIMEOUT:"<<iTimeout<<endl; if (setsockopt(sockRaw, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, (char*)&iTimeout, sizeof(iTimeout)) == SOCKET_ERROR) //设置与某个套接字关联的选 项。选项可能存在于多层协议中,为了操作套接字层的选项，应该 将层的值指定为SOL_SOCKET //将要被设置或者获取选项的套接字,选项所在的协议层,需要访问的选项名(套接字的操作都自动带有超时时间),指向包含新选项值的缓冲,现选项的长度 { cerr << "\nFailed to set recv timeout\n" << "error code: " << WSAGetLastError() << endl; closesocket(sockRaw); WSACleanup(); return -1; } //创建ICMP包发送缓冲区和接收缓冲区 char IcmpSendBuf[sizeof(ICMP_HEADER)+DEF_ICMP_DATA_SIZE]; memset(IcmpSendBuf, 0, sizeof(IcmpSendBuf)); char IcmpRecvBuf[MAX_ICMP_PACKET_SIZE]; memset(IcmpRecvBuf, 0, sizeof(IcmpRecvBuf)); //填充待发送的ICMP包（头和数据部分） ICMP_HEADER* pIcmpHeader = (ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf; pIcmpHeader->type = ICMP_ECHO_REQUEST; pIcmpHeader->code = 0; pIcmpHeader->id = (USHORT)GetCurrentProcessId(); memset(IcmpSendBuf+sizeof(ICMP_HEADER), 'E', DEF_ICMP_DATA_SIZE);//数据部分填充 //开始探测路由 DECODE_RESULT stDecodeResult; BOOL bReachDestHost = FALSE; USHORT usSeqNo = 0; int iTTL = 1; int iMaxHop = DEF_MAX_HOP; while (!bReachDestHost && iMaxHop--) { //设置IP数据报头的ttl字段 setsockopt(sockRaw, IPPROTO_IP, IP_TTL, (char*)&iTTL, sizeof(iTTL));//为0（IPPROTO_IP)的raw socket。用于接收任何的IP数据包。其中的校验和和协议分析由程序自己完成。 //输出当前跳站数作为路由信息序号 cout << setw(3) << iTTL << flush;//setw(3)设置域宽，cout<<flush表示将缓冲区的内容马上送进cout，把输出缓冲区刷新。 //填充ICMP数据报剩余字段 ((ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf)->cksum = 0; ((ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf)->seq = htons(usSeqNo++);//将无符号短整型主机字节序转换为网络字节序,将一个数的高低位互换, (如:12 34 --> 34 12) ((ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf)->cksum = GenerateChecksum((USHORT*)IcmpSendBuf, sizeof(ICMP_HEADER)+DEF_ICMP_DATA_SIZE); //记录序列号和当前时间 stDecodeResult.usSeqNo = ((ICMP_HEADER*)IcmpSendBuf)->seq; stDecodeResult.dwRoundTripTime = GetTickCount();//返回从操作系统启动到当前所经过的毫秒数，常常用来判断某个方法执行的时间 //发送ICMP的EchoRequest数据报 if (sendto(sockRaw, IcmpSendBuf, sizeof(IcmpSendBuf), 0, (sockaddr*)&destSockAddr, sizeof(destSockAddr)) == SOCKET_ERROR) { //如果目的主机不可达则直接退出 if (WSAGetLastError() == WSAEHOSTUNREACH) cout << '/t' << "Destination host unreachable.\n"<< "\nTrace complete.\n" << endl; closesocket(sockRaw); WSACleanup(); return 0; } //接收ICMP的EchoReply数据报 //因为收到的可能并非程序所期待的数据报，所以需要循环接收直到收到所要数据或超时 sockaddr_in from; int iFromLen = sizeof(from); int iReadDataLen; while (1) { //等待数据到达 iReadDataLen = recvfrom(sockRaw, IcmpRecvBuf, MAX_ICMP_PACKET_SIZE, 0, (sockaddr*)&from, &iFromLen); if (iReadDataLen != SOCKET_ERROR) //有数据包到达 { //解码得到的数据包，如果解码正确则跳出接收循环发送下一个EchoRequest包 if (DecodeIcmpResponse(IcmpRecvBuf, iReadDataLen, stDecodeResult)) { if (stDecodeResult.dwIPaddr.s_addr == destSockAddr.sin_addr.s_addr) bReachDestHost = TRUE; cout << '\t' << inet_ntoa(stDecodeResult.dwIPaddr) << endl;//将网络地址转换成“.”点隔的字符串格式 break; } } else if (WSAGetLastError() == WSAETIMEDOUT) //接收超时，打印星号 { cout << setw(9) << '*' << '\t' << "Request timed out." << endl; break; } else { cerr << "\nFailed to call recvfrom\n" << "error code: " << WSAGetLastError() << endl; closesocket(sockRaw); WSACleanup(); return -1; } } //TTL值加1 iTTL++; //cout<<"测试————"<<iTTL<<endl; } //输出屏幕信息 cout << "\nTrace complete.\n" << endl; closesocket(sockRaw); WSACleanup(); } return 0; } /*产生网际校验和*/ USHORT GenerateChecksum(USHORT* pBuf, int iSize)// 16 { unsigned long cksum = 0;//32 while (iSize>1)//40 { cksum += *pBuf++; iSize -= sizeof(USHORT); } if (iSize) cksum += *(UCHAR*)pBuf;//8 //printf("测试——cksum——测试：%x\n",cksum); //printf("测试——cksum>>16——测试：%x\n",cksum>>16); //printf("测试——cksum & 0xffff——测试：%x\n",cksum & 0xffff); cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff); //printf("测试——cksum——测试：%x\n",cksum); //printf("测试——cksum>>16——测试：%x\n",cksum>>16); cksum += (cksum >> 16); //printf("测试——cksum——测试：%x\n",cksum); //printf("测试——(USHORT)(~cksum)——测试：%x\n",(USHORT)(~cksum)); return (USHORT)(~cksum);//~ 按位取反 } /*解码得到的数据报*/ BOOL DecodeIcmpResponse(char* pBuf, int iPacketSize, DECODE_RESULT& stDecodeResult) { //检查数据报大小的合法性 IP_HEADER* pIpHdr = (IP_HEADER*)pBuf; int iIpHdrLen = pIpHdr->hdr_len * 4;//单位4个字节 if (iPacketSize < (int)(iIpHdrLen+sizeof(ICMP_HEADER))) return FALSE; //按照ICMP包类型检查id字段和序列号以确定是否是程序应接收的Icmp包 ICMP_HEADER* pIcmpHdr = (ICMP_HEADER*)(pBuf+iIpHdrLen); USHORT usID, usSquNo;//ICMP头 标识符和序列号 if (pIcmpHdr->type == ICMP_ECHO_REPLY) { usID = pIcmpHdr->id; usSquNo = pIcmpHdr->seq; } else if(pIcmpHdr->type == ICMP_TIMEOUT) { 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; usSquNo = pInnerIcmpHdr->seq; } else return FALSE; if (usID != (USHORT)GetCurrentProcessId() || usSquNo !=stDecodeResult.usSeqNo) return FALSE; //处理正确收到的ICMP数据报 if (pIcmpHdr->type == ICMP_ECHO_REPLY || pIcmpHdr->type == ICMP_TIMEOUT) { //返回解码结果 stDecodeResult.dwIPaddr.s_addr = pIpHdr->sourceIP; stDecodeResult.dwRoundTripTime = GetTickCount() - stDecodeResult.dwRoundTripTime; //打印屏幕信息 if (stDecodeResult.dwRoundTripTime) cout << setw(6) << stDecodeResult.dwRoundTripTime << " ms" << flush; else cout << setw(6) << "<1" << " ms" << flush; return TRUE; } return FALSE; }https://blog.csdn.net/xiaoyafang123/article/details/53813709
https://zhuanlan.zhihu.com/p/36811672
https://blog.csdn.net/microtong/article/details/3112139
https://www.jianshu.com/p/75a5822d0eec
https://wenku.baidu.com/view/807e49c65901020206409ca4.html
https://blog.csdn.net/microtong/article/details/3220463
