概述

ping命令采用ICMP协议，是一个用户空间程序，它打开一个SOCK_RAW套接字或者ICMP套接字发送ICMP_ECHO消息，接收ICMP_ECHOREPLY的消息。本文讲述了ping命令的内核实现。

ping用户空间程序

busybox有ping命令，iputils也有ping命令，本文研究的是iputils的ping命令。

关于iputils： The iputils package is set of small useful utilities for Linux networking. These tools are included in iputils：arping clockdiff ninfod ping rarpd rdisc tftpd tracepath traceroute6 可从项目github主页：https://github.com/iputils/iputils下载源码。

iputils的ping命令的简单流程：

create_socket
    socket(family, socktype, protocol) //socket系统调用，打开SOCK_RAW套接字或者ICMP套接字
set_socket_option
ping4_run
    main_loop
        pinger(fset, sock)
            ping4_send_probe
                sendto //send系统调用
        poll(&pset, 1, next) //poll系统调用
        recvmsg(sock->fd, &msg, polling) //recvmsg系统调用

SOCK_RAW套接字实现的ping

ping命令发送端内核实现图，可见发送端发送ICMP_ECHO消息，接收ICMP_ECHOREPLY消息。

ping命令接收端的内核实现图，可见接收端接收ICMP_ECHO消息，发送ICMP_ECHOREPLY消息。

icmp相关初始化

fs_initcall(inet_init)
    inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP) //注册ICMP协议，icmp_rcv函数接收网络层报文
    sock_register(&inet_family_ops) //注册inet套接字
    inet_register_protosw(q) //初始化协议交换哈希链表inetsw[]
    dev_add_pack(&ip_packet_type) //注册L3协议，ip_rcv接收链路层报文
    ping_init //初始化ping_table哈希链表和读写锁，用于icmp套接字
    icmp_init //为每一个cpu创建内核ICMPv4套接字，存储在percpu变量net->ipv4.icmp_sk，用于回ping消息用
        inet_ctl_sock_create  

inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP)

ping命令发送端内核实现

ping命令发送端将依次执行socket系统调用打开RAW套接字，执行sendto系统调用发送ICMP_ECHO消息，执行poll睡眠等待ICMP_ECHOREPLY消息，执行recvmsg系统调用接收ICMP_ECHOREPLY消息，最终打印出’64 bytes from 192.168.122.1: icmp_seq=1 ttl=64 time=11.1 ms’

socket系统调用

create_socket(&sock4, AF_INET, hints.ai_socktype, IPPROTO_ICMP, hints.ai_family == AF_INET)
 sock->fd = socket(family, SOCK_RAW, protocol)
     sys_socket/sock_create
         sock = sock_alloc()
         pf->create(net, sock, protocol, kern)
             inet_create
                 list_for_each_entry_rcu(answer, &inetsw[sock->type], list)//查找协议交换表inetsw[]
                 sock->ops = answer->ops//将struct proto_ops赋值给socket的变量ops
                 sk = sk_alloc(net, PF_INET, GFP_KERNEL, answer_prot, kern)
                     sk->sk_prot = sk->sk_prot_creator = prot//将struct proto赋值给sock的变量sk_prot
                 sock_init_data(sock, sk)
                 sk->sk_prot->init(sk) //调用raw_init

sendto系统调用

ping4_run/main_loop/pinger(fset, sock)/fset->send_probe
 ping4_send_probe/sendto(sock->fd, icp, cc, 0, (struct sockaddr*)&whereto, sizeof(whereto))
     __sys_sendto/sock_sendmsg(sock, &msg)/sock->ops->sendmsg
         inet_sendmsg/sk->sk_prot->sendmsg
             raw_sendmsg
                 ip_route_output_flow
                 ip_append_data
                     __skb_queue_tail(queue, skb) //enqueque to sk_write_queue
                 ip_push_pending_frames
                     skb = __skb_dequeue(queue) //dequeue from sk_write_queue
                     ip_local_out(net, skb->sk, skb)                  

poll系统调用

poll(&pset, 1, next)
 socket_file_ops.sock_poll
     inet_sockraw_ops.datagram_poll
         poll_wait(filp, &sock->wq->wait, p)//睡眠等待ICMP_ECHOREPLY消息

接收ICMP_ECHOREPLY消息

el1_irq/gic_handle_irq/__handle_domain_irq/irq_exit
 __do_softirq/net_rx_action
     virtnet_poll/receive_buf
         napi_gro_receive/netif_receive_skb_internal/__netif_receive_skb_one_core
             ip_rcv/ip_rcv_finish/ip_local_deliver/ip_local_deliver_finish
                 raw_local_deliver/raw_rcv/raw_rcv_skb
                     __skb_queue_tail //enqueque to sk_receive_queue
                     sk_data_ready //call sock_def_readable
                         sk_wake_async/kill_fasync //唤醒ping用户空间程序
                 icmp_rcv/ping_rcv 

recvmsg系统调用

ping用户空间程序被唤醒之后，执行recvmsg系统调用：

recvmsg(sock->fd, &msg, polling)
 __sys_recvmsg/sock->ops->recvmsg
     inet_recvmsg/sk->sk_prot->recvmsg
         raw_recvmsg
             skb_recv_datagram
                 __skb_try_recv_from_queue //recv from sk_receive_queue
             skb_copy_datagram_msg
                 copy_to_iter //拷贝到用户空间
fset->parse_reply
 ping4_parse_reply
     gather_statistics
         printf(_("%d bytes from %s:"), cc, from) //打印出64 bytes from 192.168.122.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=1.09 ms

ping命令接收端内核实现

el1_irq/gic_handle_irq/__handle_domain_irq/irq_exit //hardirq
 __do_softirq/net_rx_action //softirq
     virtnet_poll/receive_buf //virtnet driver
         napi_gro_receive/__netif_receive_skb_one_core
             ip_rcv/ip_rcv_finish/ip_local_deliver_finish
                 raw_local_deliver
                 icmp_rcv/icmp_echo/icmp_reply                     
                     ip_route_output_key
                     icmp_push_reply
                         sk = icmp_sk()//获取icmp_init创建的内核icmp套接字
                         ip_append_data
                             __skb_queue_tail(queue, skb) //enqueque to sk_write_queue
                         ip_push_pending_frames
                             skb = __skb_dequeue(queue) //dequeue from sk_write_queue
                             ip_local_out(net, skb->sk, skb)                  

ICMP套接字(ping套接字)实现的ping

Openwall GNU/linux为了安全，在内核实现了ICMP套接字(ping套接字)，这样ping用户空间程序可以打开一个ping套接字来实现setuid-less ping。默认是禁止使用ICMP套接字，可通过设置profs条目’/proc/sys/net/ipv4/ping_group_range’来启用。创建ICMP套接字的时候，将调用ping_init_sock来进行权限检查，只有用户组gid在ping_group_range范围之内才有权限创建。ICMP套接字导出procfs条目：/proc/net/icmp和/proc/net/icmp6，

关于ICMP套接字，可参考：

net: ipv4: add IPPROTO_ICMP socket kind

ICMP套接字ping命令发送端内核实现图，接收端的内核实现和RAW套接字是一样的。

参考资料

《精通linux内核网络》作者：以色列网络专家Rami Rosen，现intel DPDK Tech Leader，个人主页http://ramirose.wixsite.com/ramirosen 英文名为《Linux Kernel Networking - Implementation and Theory》点击在线阅读英文原版

图解linux ping

概述