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ping 的功能

ping 程序對于開發人員來說應該是不會陌生的, ping 通常用來探測主機到主機之間是否可以通信。如果可以 ping 通，意味著可以和該主機建立網絡連接，就像這樣的。

?  ~ ping www.qq.com
PING www.qq.com (182.254.34.74): 56 data bytes
64 bytes from 182.254.34.74: icmp_seq=0 ttl=53 time=22.996 ms
64 bytes from 182.254.34.74: icmp_seq=1 ttl=53 time=36.688 ms
64 bytes from 182.254.34.74: icmp_seq=2 ttl=53 time=25.390 ms
64 bytes from 182.254.34.74: icmp_seq=3 ttl=53 time=25.516 ms

如果不能 ping 通，那就意味著無法和該主機建立網絡連接，就像下面這樣的。

?  ~ ping www.google.com
PING www.google.com (66.220.147.47): 56 data bytes
Request timeout for icmp_seq 0
Request timeout for icmp_seq 1
Request timeout for icmp_seq 2
Request timeout for icmp_seq 3
Request timeout for icmp_seq 4

Apple 的 SimplePing 封裝了 ping 的功能，它利用 resolve host，create socket(send & recv data), 解析 ICMP 包驗證 checksum 等實現了 ping 功能。并且支持 iPv4 和 iPv6。

ICMP 協議

ping 功能使用是 ICMP 協議（Internet Control Message Protocol），ICMP 協議定義了一組錯誤信息，當路由器或者主機無法成功處理一個IP 封包的時候，能夠將錯誤信息回送給來源主機，ICMP 常見的錯誤如下。

傳輸線路或者節點故障導致無法到達目的地主機
路由器封包重組失敗
封包存活時間（Time To Live,TTL）變成 0 (防止封包在網絡中永無止境得繞圈)
IP 首部的錯誤檢查碼發現錯誤

iOS SimplePing 的使用

    // 1. 利用 HostName 創建 SimplePing
    SimplePing *pinger = [[SimplePing alloc] initWithHostName:@"www.apple.com"];
    self.pinger = pinger;
    // 2. 指定 IP 地址類型
    if (isIpv4 && !isIpv6) {
        pinger.addressStyle = SimplePingAddressStyleICMPv4;
    }else if (isIpv6 && !isIpv4) {
        pinger.addressStyle = SimplePingAddressStyleICMPv6;
    }
    // 3. 設置 delegate,用于接收回調信息
    pinger.delegate = self;
    // 4. 開始 ping
    [pinger start];

SimplePing 的使用還是非常簡單的，

利用 HostName 創建 SimplePing
指定 IP 地址類型
設置 delegate,用于接收回調信息
開始 ping

delegate 的回調方法體現了 ping 的過程。

// 解析 HostName 拿到 ip 地址之后，發送封包
- (void)simplePing:(SimplePing *)pinger didStartWithAddress:(NSData *)address
{
    NSLog(@"pinging %@", displayAddressForAddress(address));
    [self sendPing];
}
// ping 功能啟動失敗
- (void)simplePing:(SimplePing *)pinger didFailWithError:(NSError *)error
{
    NSLog(@"failed: %@", shortErrorFromError(error));
    [self stop];
}
// ping 成功發送封包
- (void)simplePing:(SimplePing *)pinger didSendPacket:(NSData *)packet sequenceNumber:(uint16_t)sequenceNumber
{
    NSLog(@"#%u sent", sequenceNumber);
}
// ping 發送封包失敗
- (void)simplePing:(SimplePing *)pinger didFailToSendPacket:(NSData *)packet sequenceNumber:(uint16_t)sequenceNumber error:(NSError *)error
{
    NSLog(@"#%u send failed: %@", sequenceNumber,shortErrorFromError(error));
}
// ping 發送封包之后收到響應
- (void)simplePing:(SimplePing *)pinger didReceivePingResponsePacket:(NSData *)packet sequenceNumber:(uint16_t)sequenceNumber
{
    NSLog(@"#%u received, size=%zu", sequenceNumber, packet.length);
}
// ping 接收響應封包發生異常
- (void)simplePing:(SimplePing *)pinger didReceiveUnexpectedPacket:(NSData *)packet
{
    NSLog(@"unexpected packet, size=%zu", packet.length);
}

SimplePing 的流程

流程圖

上圖是 SimplePing 執行一次 ping IPv4 地址的流程圖，
ping 的實現并不負責，一共有以下幾個步驟

解析傳入的 HostName，獲取第一個可用 IP 地址
創建傳輸/接收數據的 socket
發送數據，封裝一個 ICMP 包
解析目標 IP 傳回的 ICMP 包

HostName 的解析

關于 HostName 的解析，SimplePing 采用 CFHost 這個異步 API 方案，通過CFHost解析主機名主要有以下幾個步驟：

通過調用 CFHostCreateWithName 創建一個 CFHostRef 對象。
調用 CFHostSetClient 并且提供一個上下文對象和回調函數，這個回調函數在解析結束的時候會被調用。
調用 CFHostScheduleWithRunLoop 用于在 RunLoop 中執行具體的解析操作。
調用 CFHostStartInfoResolution 來告訴解析器開始解析，把它的第二個參數設置為 kCFHostAddresses 表明你想要返回一個 IP 地址。
等待解析器調用你的回調函數，通過你的回調函數，調用 CFHostGetAddressing 函數來獲取解析結果。這個函數返回 CFDataRef 對象的一個數組，其中的每一個都包含一個 POSIX 的 sockaddr 結構體。

下面的這段代碼執行的是 1 - 4 過程

- (void)start {
    Boolean             success;
    CFHostClientContext context = {0, (__bridge void *)(self), NULL, NULL, NULL};
    CFStreamError       streamError;
    
    assert(self.host == NULL);
    assert(self.hostAddress == nil);

    self.host = (CFHostRef) CFAutorelease( CFHostCreateWithName(NULL, (__bridge CFStringRef) self.hostName) );
    assert(self.host != NULL);
    
    CFHostSetClient(self.host, HostResolveCallback, &context);
    
    CFHostScheduleWithRunLoop(self.host, CFRunLoopGetCurrent(), kCFRunLoopDefaultMode);
    
    success = CFHostStartInfoResolution(self.host, kCFHostAddresses, &streamError);
    if ( ! success ) {
        [self didFailWithHostStreamError:streamError];
    }
}

在系統解析 HostName 成功之后會調用 HostResolveCallback 這個回調，這個回調的作用相當于重定向，將內容從 c 轉成適當的 Objective-C 內容。

static void HostResolveCallback(CFHostRef theHost, CFHostInfoType typeInfo, const CFStreamError *error, void *info) {
    // This C routine is called by CFHost when the host resolution is complete. 
    // It just redirects the call to the appropriate Objective-C method.
    SimplePing *    obj;
    obj = (__bridge SimplePing *) info;
    assert([obj isKindOfClass:[SimplePing class]]);
    // 省略代碼 ......
    if ( (error != NULL) && (error->domain != 0) ) {
        [obj didFailWithHostStreamError:*error];
    } else {
       // 在這個方法獲取 HostName 對應的地址
        [obj hostResolutionDone];
    }
}

調用 CFHostGetAddressing 函數來獲取解析結果，這個函數返回一個數組，從這個數組中取得 HostName 對應的 IP。從服務端的角度來說，為了實現負載均衡，一個域名是可以對應多個 IP 的，但是從客戶端的角度來說，一個域名就是對應一個 IP。

- (void)hostResolutionDone {
    Boolean     resolved;
    NSArray *   addresses;
    
    // Find the first appropriate address.
    
    addresses = (__bridge NSArray *) CFHostGetAddressing(self.host, &resolved);
    if ( resolved && (addresses != nil) ) {
        resolved = false;
        for (NSData * address in addresses) {
            const struct sockaddr * addrPtr;
            
            addrPtr = (const struct sockaddr *) address.bytes;
            if ( address.length >= sizeof(struct sockaddr) ) {
                switch (addrPtr->sa_family) {
                    case AF_INET: {
                        if (self.addressStyle != SimplePingAddressStyleICMPv6) {
                            self.hostAddress = address;
                            resolved = true;
                        }
                    } break;
                    case AF_INET6: {
                        if (self.addressStyle != SimplePingAddressStyleICMPv4) {
                            self.hostAddress = address;
                            resolved = true;
                        }
                    } break;
                }
            }
            if (resolved) {
                break;
            }
        }
    }

    // We're done resolving, so shut that down.
    
    [self stopHostResolution];
    
    // If all is OK, start the send and receive infrastructure, otherwise stop.
    
    if (resolved) {
        [self startWithHostAddress];
    } else {
        [self didFailWithError:[NSError errorWithDomain:(NSString *)kCFErrorDomainCFNetwork code:kCFHostErrorHostNotFound userInfo:nil]];
    }
}

Socket 操作

HostName 解析成功拿到對應的 IP 之后，SimplePing 調用startWithHostAddress 創建 socket 。

使用 CFSocketCreateWithNative 創建一個 CFSocket
使用 CFSocketCreateRunLoopSource 為 CFSocket 創建一個 CFRunLoopSourceRef，
使用 CFRunLoopAddSource 將 CFRunLoopSourceRef 添加到 RunLoop 的 kCFRunLoopDefaultMode 模式中。

- (void)startWithHostAddress {
 // 省略代碼 ......
        CFSocketContext         context = {0, (__bridge void *)(self), NULL, NULL, NULL};
        CFRunLoopSourceRef      rls;
        id<SimplePingDelegate>  strongDelegate;
        
        // Wrap it in a CFSocket and schedule it on the runloop.
        
        self.socket = (CFSocketRef) CFAutorelease( CFSocketCreateWithNative(NULL, fd, kCFSocketReadCallBack, SocketReadCallback, &context) );
        assert(self.socket != NULL);
        
        // The socket will now take care of cleaning up our file descriptor.
        
        assert( CFSocketGetSocketFlags(self.socket) & kCFSocketCloseOnInvalidate );
        fd = -1;
        
        rls = CFSocketCreateRunLoopSource(NULL, self.socket, 0);
        assert(rls != NULL);
        
        CFRunLoopAddSource(CFRunLoopGetCurrent(), rls, kCFRunLoopDefaultMode);
    
        CFRelease(rls)；
 // 省略代碼 ......
}

在 CFSocketCreateWithNative 的官方文檔描述中有提到，CFSocketCreateWithNative 在創建 socket 的時候是有一個復用機制的。

The new CFSocket object, or `NULL` if an error occurred. 
If a CFSocket object already exists for `sock`, 
the function returns the pre-existing object instead of creating a new object;

封裝 ICMP 包

在 socket 創建完成之后，接下來就要開始組裝 IP 封包并發送了。組裝 IP 封包并發送的過程需要我們手動在這個回調方法觸發。

- (void)simplePing:(SimplePing *)pinger didStartWithAddress:(NSData *)address
{
// 調用 - (void)sendPingWithData:(NSData *)data 
}

sendPingWithData 這個方法做的操作是組裝 IP 封包然后發送封包，調用這個過程對應的回調方法。發送封包的過程是調用 sendto 方法

- (void)sendPingWithData:(NSData *)data {
    // 省略代碼 ......

    // Send the packet.
    
    if (self.socket == NULL) {
        bytesSent = -1;
        err = EBADF;
    } else {
        bytesSent = sendto(
            CFSocketGetNative(self.socket),
            packet.bytes,
            packet.length, 
            0,
            self.hostAddress.bytes, 
            (socklen_t) self.hostAddress.length
        );
        err = 0;
        if (bytesSent < 0) {
            err = errno;
        }
    }
    // 省略代碼 ......

組裝 IP 封包是調用下面這個方法來完成，這個方法把數據按照 ICMPHeader 結構體的格式進行初始化并返回 IP 封包，關于 ICMPHeader 的結構這里就不再累贅，通過 ICMPHeader 結構體的定義就可以明白。

- (NSData *)pingPacketWithType:(uint8_t)type 
                   payload:(NSData *)payload 
                  requiresChecksum:(BOOL)requiresChecksum ；

解析 ICMP 包

完成了發送操作之后，接下來就是等待 ping 的響應了。當 socket 收到 ping 響應的時候回調 SocketReadCallback ，這個回調的作用相當于重定向，將內容從 c 轉成適當的 Objective-C 內容，SocketReadCallback 里面調用了 readData 方法。

static void SocketReadCallback(CFSocketRef s, CFSocketCallBackType type, CFDataRef address, const void *data, void *info)

在 readData 方法里面做的工作就是讀取響應數據，驗證響應的數據正確性，執行相應的回調方法。與sendto對應，讀取數據使用的是 recvfrom 方法。驗證響應數據調用的是下面的方法。

- (BOOL)validatePing4ResponsePacket:(NSMutableData *)packet sequenceNumber:(uint16_t *)sequenceNumberPtr

這個方法接收 ping 響應數據的時候，會對 ICMP 包進行校驗，會跳過 IP 頭，畢竟 IP 首部對于 ping 功能來說并不重要，重要的是 ICMP 協議的內容，其中主要驗證的字段是 checksum 和 sequenceNumber（iPv6 只需要驗證 sequenceNumber）。
停止 ping 的時候需要做一些清理工作，包括 socket 和 CFHost 對應的銷毀。
到這里，整個 ping 的基本流程就結束了。

總結

ICMP 協議規定，目的主機必須返回 ICMP 回送應答消息給源主機，如果源主機在一定時間內收到應答，則認為主機可達，而 ping 功能使用的是 ICMP 協議。
SimplePing 實現 ping 操作的原理步驟是這樣的，先解析出 HostName 對應的 IP 地址，這個才知道數據包要發送給哪個目的主機，接著構造符合 ICMP 協議格式的數據包并發送，等待目的主機響應。一段時間過后，目的主機響應數據到達源主機，源主機接收響應數據包，驗證數據包，然后去掉數據包的 IP 首部，拿到 ICMP 數據。由于個人水平有限，文章若有不對之處懇請指出，我稍作修改，大家共同進步。

參考

https://developer.apple.com/library/content/documentation/NetworkingInternet/Conceptual/NetworkingTopics/Articles/ResolvingDNSHostnames.html#//apple_ref/doc/uid/TP40012543-SW1
https://github.com/iOS-Developer-Documents-Chinese/iOS-Developer-Documents-Chinese/blob/master/Socket/DNS%E4%B8%BB%E6%9C%BA%E5%90%8D%E7%9A%84%E8%A7%A3%E6%9E%90.md
https://www.cnblogs.com/cuihongyu3503319/archive/2012/07/09/2583129.html
http://blog.163.com/qhj4433210@126/blog/static/165975282201592251248584/
http://blog.csdn.net/inject2006/article/details/2139149
https://zhaoxinyu.me/2017-04-12-simple-ping/
https://en.wikipedia.org/wiki/IPv4_header_checksum

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iOS ping - SimplePing 源碼解讀

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ping 的功能

ICMP 協議

iOS SimplePing 的使用

SimplePing 的流程

HostName 的解析

Socket 操作

封裝 ICMP 包

解析 ICMP 包

總結

參考

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