Traceroute 概念

traceroute是一種網(wǎng)絡(luò)診斷工具，通過traceroute可以診斷出本機(jī)到目的地IP之間的路由情況，例如路由跳數(shù)、延遲、是否可達(dá)等信息。該工具在linux環(huán)境下的命令是traceroute或者tracepath，在windows下命令是tracert。

工作原理

traceroute在linux系列的操作系統(tǒng)，默認(rèn)通過發(fā)送UDP請(qǐng)求到目的地IP，UDP的端口使用的是33434到33545之間。除了UDP的協(xié)議，可選用ICMP或者TCP（TCP SYN包）。使用33434到33534之間到端口是因?yàn)榇蟛糠謑inux系統(tǒng)的該范圍內(nèi)的端口是不可用的。正常情況下如果我們對(duì)一個(gè)目的地主機(jī)發(fā)起UDP請(qǐng)求，并且該端口不存在就會(huì)直接返回端口或者主機(jī)不可大的信息，這樣是無(wú)法獲取到中途的路由節(jié)點(diǎn)。此時(shí)需要引入一個(gè)TTL的概念。

TTL即Time-To-Live，更多的被理解為路由跳數(shù)，該值存于IP頭，經(jīng)過路由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)會(huì)將該值減1，當(dāng)ttl值為0時(shí)，路由就會(huì)回復(fù)一個(gè)ICMP消息"Time Exceeded"，表示跳數(shù)已經(jīng)達(dá)到最大值，無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

TTL在ipv4和ipv6頭有不同的定義，在ipv4頭用8位來(lái)存該數(shù)值，且命名為“Time to Live”，而在ipv6的頭則叫做“Hop Limit”。

不管是Time to Live還是Hop Limit，其實(shí)都是相同的邏輯，路由轉(zhuǎn)發(fā)一次就減1，并且該值為0時(shí)則無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)。

我們來(lái)看一下traceroute的發(fā)包過程：

第一步：主機(jī)A往目的主機(jī)B發(fā)送UDP包，包頭需要設(shè)置TTL=1，并且設(shè)置目的端口為33434。
第二步：主機(jī)A的最近的路由A收到UDP包以后，將TTL減1，此時(shí)TTL=0，路由A就將該包丟棄，并且回復(fù)主機(jī)A一條ICMP信息：“Time Exceeded”。
第三步：主機(jī)A收到ICMP的消息以后即可記錄ICMP發(fā)送主機(jī)的地址，該地址就是路由IP，并且主機(jī)A設(shè)置TTL=2，再次發(fā)送UDP包到目的主機(jī)B的33434端口。
第四步：以此類推，直到TTL超過設(shè)置的最大值或者收到目的主機(jī)返回的消息時(shí)停止發(fā)包，這樣就得到了一個(gè)路由地址列表，同時(shí)也能拿到發(fā)送到路由之間的消息延遲，如果路由超過設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有相應(yīng)，則置該跳數(shù)的路由地址為“*”。

traceroute-go代碼實(shí)現(xiàn)

由于go語(yǔ)言是高級(jí)語(yǔ)言，將udp以及tcp的包頭都封裝完整，無(wú)法定制設(shè)置ttl。好在golang提供了syscall庫(kù)，該庫(kù)提供依稀了linux下的函數(shù)調(diào)用，因此可以利用該包的方法達(dá)到設(shè)置ttl的目的。在1.4之前可以使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)syscall，但因?yàn)樵搸?kù)已經(jīng)被棄用，可以使用golang.org/x/sys庫(kù)，該庫(kù)是syscall的擴(kuò)展，提供更加豐富的系統(tǒng)調(diào)用方法。
有庫(kù)的支持，我們則需要了解一下C語(yǔ)言的知識(shí)，即用C語(yǔ)言發(fā)送udp包和接受icmp的信息，因此這里需要涉及到幾個(gè)函數(shù):

socket函數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)socke的文件描述，用于發(fā)送udp以及接收icmp的消息，golang對(duì)應(yīng)的函數(shù)為func Socket(domain, typ, proto int) (fd int, err error)setsockopt函數(shù)，該函數(shù)可以用于設(shè)定IP的頭信息，我們要設(shè)定TTL就是利用該函數(shù)，同時(shí)該函數(shù)可以設(shè)定socket的請(qǐng)求或者接收消息的超時(shí)時(shí)間，golang對(duì)應(yīng)的函數(shù)為func SetsockoptInt(fd, level, opt int, value int) (err error)sendto函數(shù)，用于發(fā)送udp消息，golang對(duì)應(yīng)的函數(shù)為func Sendto(fd int, p []byte, flags int, to Sockaddr) (err error)recvfrom函數(shù)，用于接收icmp消息，golang對(duì)應(yīng)的函數(shù)為func Recvfrom(fd int, p []byte, flags int) (n int, from Sockaddr, err error)

函數(shù)準(zhǔn)備好以后就可以開工編寫golang版本的traceroute庫(kù)了。

首先，創(chuàng)建sendSocket，用于發(fā)送UDP包，注意內(nèi)部的參數(shù) unix.IPPROTO_UDP表示使用ipv4的udp協(xié)議，這個(gè)與ipv6協(xié)議是有區(qū)別的，可以通過命令man socket查看函數(shù)說明，然后創(chuàng)建一個(gè)recvSocket的socket文件描述符，用于接收ICMP的消息，這里調(diào)用了函數(shù)SetsockoptTimeval，用于設(shè)定接收消息的超時(shí)時(shí)間。

然后在for循環(huán)內(nèi)循環(huán)發(fā)送udp消息并且接收icmp消息：

代碼中SetsockoptInt函數(shù)設(shè)定ipv4的頭TTL，初始化ttl=1，通過Sendto函數(shù)將消息發(fā)送到目的地址和目的端口，這里目的端口從33434開始，會(huì)在33434到33534區(qū)間內(nèi)循環(huán)。

發(fā)送消息以后，通過Recvfrom接收消息，此時(shí)會(huì)判斷接收消息是否報(bào)錯(cuò)，如果報(bào)錯(cuò)則直接退出循環(huán)并結(jié)束traceroute操作；如果沒有報(bào)錯(cuò)，則需要解析返回的ICMP消息，由于ipv4的Header包頭長(zhǎng)度最小是20字節(jié)，最大是60字節(jié)，會(huì)出現(xiàn)浮動(dòng)，因此需要拿到實(shí)際的ipv4頭長(zhǎng)度，這里使用ipv4庫(kù)的ParseHeader函數(shù)解析拿到ipv4的包頭結(jié)構(gòu)，然后將收到的消息截取ipHeader.Len長(zhǎng)度就得到我們的ICMP消息結(jié)構(gòu)體，拿到ICMP消息結(jié)構(gòu)以后既可以根據(jù)Type判定消息類型，由于我們只關(guān)注ICMPTypeTimeExceeded和ICMPTypeDestinationUnreachable類型的消息，因此其他消息我們都會(huì)丟棄，并且如果收到的是ICMPTypeTimeExceeded，則需要將發(fā)送方的地址（路由地址）存下來(lái)，并且將ttl+1，然后再次循環(huán)發(fā)送udp消息到目的地。
如果收到的ICMP消息類型是ICMPTypeDestinationUnreachable或者ttl超過了最大的ttl設(shè)定或者接受的的ICMP消息來(lái)自于目的地址，則結(jié)束發(fā)包，并輸出結(jié)果。

當(dāng)然，如果接收到報(bào)錯(cuò)的消息，該消息可能是路由不通或者發(fā)包超時(shí)，因此我們需要將該跳的路由地址設(shè)置為“*”，同時(shí)判定重試次數(shù)，以及是否超過了最大TTL。
最后每次循環(huán)都將目的端口值+1，并且超過了最大的端口33534是又從最小端口開始，保障端口范圍一直在33434到33534之間。

結(jié)果輸出：
以下是我們自己的程序結(jié)果輸出：

以下是系統(tǒng)自帶的traceroute輸出:

總結(jié)

traceroute工具原理不難，但要實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程需要涉及到一些基本知識(shí)，如ip的報(bào)文組成、udp、icmp協(xié)議的一些基本知識(shí)，另外就是需要知道路由跳數(shù)的基本原理，通過實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程也可以加深這些基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)是對(duì)這些知識(shí)的運(yùn)用。
完整代碼已經(jīng)上傳到github，地址為:https://github.com/Kseleven/traceroute-go，歡迎大家star，當(dāng)然如有紕漏或者講解不正確的地方，歡迎指正。

參考文獻(xiàn)

1. ipv4 rfc 791
2. ipv6 rfc 2460
3. icmp rfc 792
4. traceroute rfc 1393
5. linux man page-traceroute
6. traceroute wiki
7. icmp wiki
8. golang sys庫(kù)

到此這篇關(guān)于如何使用golang實(shí)現(xiàn)traceroute的文章就介紹到這了,更多相關(guān)golang實(shí)現(xiàn)traceroute內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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