Traceroute

概念

traceroute是一种网络诊断工具，通过traceroute可以诊断出本机到目的地IP之间的路由情况，例如路由跳数、延迟、是否可达等信息。该工具在linux环境下的命令是traceroute或者tracepath，在windows下命令是tracert。

工作原理

traceroute在linux系列的操作系统，默认通过发送UDP请求到目的地IP，UDP的端口使用的是33434到33545之间。除了UDP的协议，可选用ICMP或者TCP（TCP SYN包）。使用33434到33534之间到端口是因为大部分linux系统的该范围内的端口是不可用的。正常情况下如果我们对一个目的地主机发起UDP请求，并且该端口不存在就会直接返回端口或者主机不可大的信息，这样是无法获取到中途的路由节点。此时需要引入一个TTL的概念。

TTL即Time-To-Live，更多的被理解为路由跳数，该值存于IP头，经过路由转发时会将该值减1，当ttl值为0时，路由就会回复一个ICMP消息"Time Exceeded"，表示跳数已经达到最大值，无法进行转发。


TTL在ipv4和ipv6头有不同的定义，在ipv4头用8位来存该数值，且命名为“Time to Live”，而在ipv6的头则叫做“Hop Limit”。

不管是Time to Live还是Hop Limit，其实都是相同的逻辑，路由转发一次就减1，并且该值为0时则无法转发。

我们来看一下traceroute的发包过程：

第一步：主机A往目的主机B发送UDP包，包头需要设置TTL=1，并且设置目的端口为33434。
第二步：主机A的最近的路由A收到UDP包以后，将TTL减1，此时TTL=0，路由A就将该包丢弃，并且回复主机A一条ICMP信息：“Time Exceeded”。
第三步：主机A收到ICMP的消息以后即可记录ICMP发送主机的地址，该地址就是路由IP，并且主机A设置TTL=2，再次发送UDP包到目的主机B的33434端口。
第四步：以此类推，直到TTL超过设置的最大值或者收到目的主机返回的消息时停止发包，这样就得到了一个路由地址列表，同时也能拿到发送到路由之间的消息延迟，如果路由超过设定的时间内没有相应，则置该跳数的路由地址为“*”。

traceroute-go代码实现

由于go语言是高级语言，将udp以及tcp的包头都封装完整，无法定制设置ttl。好在golang提供了syscall库，该库提供依稀了linux下的函数调用，因此可以利用该包的方法达到设置ttl的目的。在1.4之前可以使用标准库syscall，但因为该库已经被弃用，可以使用golang.org/x/sys库，该库是syscall的扩展，提供更加丰富的系统调用方法。
有库的支持，我们则需要了解一下C语言的知识，即用C语言发送udp包和接受icmp的信息，因此这里需要涉及到几个函数:

1. socket函数，创建一个socke的文件描述，用于发送udp以及接收icmp的消息，golang对应的函数为func Socket(domain, typ, proto int) (fd int, err error)
2. setsockopt函数，该函数可以用于设定IP的头信息，我们要设定TTL就是利用该函数，同时该函数可以设定socket的请求或者接收消息的超时时间，golang对应的函数为func SetsockoptInt(fd, level, opt int, value int) (err error)
3. sendto函数，用于发送udp消息，golang对应的函数为func Sendto(fd int, p []byte, flags int, to Sockaddr) (err error)
4. recvfrom函数，用于接收icmp消息，golang对应的函数为func Recvfrom(fd int, p []byte, flags int) (n int, from Sockaddr, err error)

函数准备好以后就可以开工编写golang版本的traceroute库了。

首先，创建sendSocket，用于发送UDP包，注意内部的参数 unix.IPPROTO_UDP表示使用ipv4的udp协议，这个与ipv6协议是有区别的，可以通过命令man socket查看函数说明，然后创建一个recvSocket的socket文件描述符，用于接收ICMP的消息，这里调用了函数SetsockoptTimeval，用于设定接收消息的超时时间。

然后在for循环内循环发送udp消息并且接收icmp消息：

代码中SetsockoptInt函数设定ipv4的头TTL，初始化ttl=1，通过Sendto函数将消息发送到目的地址和目的端口，这里目的端口从33434开始，会在33434到33534区间内循环。

发送消息以后，通过Recvfrom接收消息，此时会判断接收消息是否报错，如果报错则直接退出循环并结束traceroute操作；如果没有报错，则需要解析返回的ICMP消息，由于ipv4的Header包头长度最小是20字节，最大是60字节，会出现浮动，因此需要拿到实际的ipv4头长度，这里使用ipv4库的ParseHeader函数解析拿到ipv4的包头结构，然后将收到的消息截取ipHeader.Len长度就得到我们的ICMP消息结构体，拿到ICMP消息结构以后既可以根据Type判定消息类型，由于我们只关注ICMPTypeTimeExceeded和ICMPTypeDestinationUnreachable类型的消息，因此其他消息我们都会丢弃，并且如果收到的是ICMPTypeTimeExceeded，则需要将发送方的地址（路由地址）存下来，并且将ttl+1，然后再次循环发送udp消息到目的地。
如果收到的ICMP消息类型是ICMPTypeDestinationUnreachable或者ttl超过了最大的ttl设定或者接受的的ICMP消息来自于目的地址，则结束发包，并输出结果。

当然，如果接收到报错的消息，该消息可能是路由不通或者发包超时，因此我们需要将该跳的路由地址设置为“*”，同时判定重试次数，以及是否超过了最大TTL。
最后每次循环都将目的端口值+1，并且超过了最大的端口33534是又从最小端口开始，保障端口范围一直在33434到33534之间。

结果输出：
以下是我们自己的程序结果输出：

以下是系统自带的traceroute输出:

总结

traceroute工具原理不难，但要实现这个过程需要涉及到一些基本知识，如ip的报文组成、udp、icmp协议的一些基本知识，另外就是需要知道路由跳数的基本原理，通过实现这个过程也可以加深这些基础知识，同时是对这些知识的运用。
完整代码已经上传到github，地址为:https://github.com/Kseleven/traceroute-go，欢迎大家star，当然如有纰漏或者讲解不正确的地方，欢迎指正。

参考文献

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库

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