golang版的traceroute实现
前言
以前看<<TCP/IP详解卷一>>的时候，发现可以根据IP报文中的TTL字段追踪数据包的路由详情，觉得很有意思。后来知道别人早就把它实现出来了，就是linux下的traceroute命令(windows 的tracert),学了golang后也想实现一个go版本的，但中间都给种种事情耽搁了，最近把工作辞了，刚好有点时间，就想着把它做出来，顺便当作个人项目去面试。
应用场景
在分析traceroute之前，先介绍一下它的应用场景。不知道你们有没有遇到过这样情况，就是买了个国外的服务器，用ssh连接的时候发现很慢，然后你就会忍不住ping一下看延迟多少，如果出来300的延迟你会忍不住吐槽一句：什么破服务器，延迟这么高。然后你肯定想知道原因，为什么这破服务器这么卡。
而这时候traceroute就可以派上用场了，你用traceroute测一下就知道，它会可以追踪数据包的路由详情，可以知道从你的电脑到服务器之间经过了多少跳的路由，如果是数据包经过很多跳路由最终才到服务器，自然就很卡。
下面我用 vultr.com域名测试，先ping一下
Pinging vultr.com [108.61.13.174] with 32 bytes of data:
Reply from 108.61.13.174: bytes=32 time=234ms TTL=50
Reply from 108.61.13.174: bytes=32 time=233ms TTL=49
Reply from 108.61.13.174: bytes=32 time=247ms TTL=49
Reply from 108.61.13.174: bytes=32 time=233ms TTL=49
Ping statistics for 108.61.13.174:
Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
Approximate round trip times in milli-seconds:
Minimum = 233ms, Maximum = 247ms, Average = 236ms200多的延迟，然后我们再用tracert(windows下的traceroute)测一下：
Tracing route to vultr.com [108.61.13.174] over a maximum of 30 hops: 1 1 ms 2 ms 2 ms 192.168.0.1 [192.168.0.1] 2 2 ms 1 ms 1 ms 192.168.1.1 [192.168.1.1] 3 4 ms 3 ms 3 ms 183.17.228.1 4 15 ms 40 ms 4 ms 153.106.38.59.broad.fs.gd.dynamic.163data.com.cn [59.38.106.153] 5 8 ms 17 ms 18 ms 183.56.65.14 6 9 ms 7 ms 7 ms 202.97.90.162 深圳 7 17 ms 17 ms 16 ms 202.97.38.166 昆明 8 185 ms 192 ms 184 ms 202.97.51.94 上海 9 164 ms 167 ms 165 ms 202.97.90.118 10 191 ms 170 ms 183 ms 9-1-9.ear1.LosAngeles1.Level3.net [4.78.200.1] 11 * * * Request timed out. 12 235 ms 239 ms 247 ms 214.213.15.4.in-addr.arpa [4.15.213.214] 13 * * * Request timed out. 14 * * * Request timed out. 15 246 ms 248 ms 237 ms 174.13.61.108.in-addr.arpa [108.61.13.174]
可以看到经过了15跳的路由，如果你分别查一下这些ip对应地方，会发现它从深圳绕到昆明，再绕到上海最后才去了美国，绕了中国大半圈，延迟不高才怪呢。
原理分析
下面来分析一下traceroute背后的原理，首先先介绍一个数据包在传输过程中的一个特性，就是IP报文首部的TTL字段在每经过一跳路由的时候，TTL的值都会给路由器减1。就这样每经过一跳路由就减1，当TTL的值减到0的时候，路由器将不再转发这个数据包，而是将其丢弃，然会返回一个ICMP报文到信源端。
这个特性有什么用呢？你想啊，如果我手动把数据包TTL的值设为1，发给目的地，然后IP数据报到下一条路由的时候就给丢弃了，而且还会收到下一跳路由的ICMP报文(里面有该路由器的IP)。然后我再把TTL的值设为2，数据包在第二条路由的时候又给丢弃了，又返回第二跳路由的ICMP报文，这样我又可以知道第二跳路由的IP了。就这样通过投石问路的方式，不停地给目的地发送数据报，直到数据报到达目的地，就可以把每一跳路由的IP给摸清楚了。
这里有张图，或许可以方便理解
抓包分析
好了，原理分析讲完了，下面来运行tracert并抓包分析来验证一下我的观点。
首先先打开wireshark，然后运行tracert (tracert www.baidu.com)，当然你会在wireshark上面看到一堆密密麻麻的数据包，所以需要过滤一下，在绿色的选框那里输入icmp即可，因为只有icmp数据包才是我们想要的，你会看到类似输出：
我已经分别用红色和蓝色的框标记起来了，可以看到，tracert连续发送了3条TTL为1的ICMP报文 (红色框)到目的地，然后收到下一跳路由的ICMP报文(蓝色框)，内容为TTL超时。
然后tracert继续发送三个TTL2的ICMP报文到目的地：
还是收到同样的答复，TTL超时
就这样，每发送完一轮后，TTL加1，直到收到目的地的回复才停止，如图(我用蓝框标记出来了)：
看来我不是瞎猜的，上面的就是证据。
既然跟我们预料中的一样，那接下来是不是可以写代码了？别急，还差一步，就是我们刚才只分析tracert发送的过程，只是一个大致的过程。但在写代码的时候，"差不多"是不行的，你需要精确地知道报文的格式和里面的参数才可以。
比如要发送ICMP报文到目的地时，ICMP的报文中的type要改8，code要改为0，代表的是回显。如图：
如果你熟悉ICMP报文的话，你会发现traceroute本质上就是一个ping，区别只是在于修改了一下IP首部的TTL字段而已
然后你会收到type为11，code为0的ICMP回复，代表TTL超时
或者如果到达了目的地，会收到type为0，code为0的回复。代表Echo Reply。就跟你平时ping某台主机后所得到的回复是一样的
具体实现
实现过程
traceroute本质上就是一个ping，只是修改了一下IP首部的TTL字段而已，我一开始以为是件很简单的事，但是实现过程一波三折。
我一开始先google一下，看有没有人已经实现过golang版的traceroute了，省得我到处查API。结果真的有，点这里
我满怀好奇地点了进去看了下源码，看思路是否和我是一样的，然后发现他用的syscall这个库来创建socket，不由自主地感叹了这老哥的强悍。syscall是在系统提供给的API上封装的，这么底层的东西，需要对底层有足够的了解才能驾驭。
看了一会，然后把代码复制下来跑一下，发现报了这个错：
..\traceroute.go:198:72: undefined: syscall.IPPROTO_ICMP ..\traceroute.go:211:61: undefined: syscall.SO_RCVTIMEO
就是windows不支持这个系统调用，然后我看了一下项目的README，才看注意到：Must be run as sudo on OS X
而且也有个在windows上开发的人也遇到同样的问题，作者表示无能为力,或者是懒得弄，在这个issue里
然后想着既然作者用syscall实现的版本无法在windows上运行，那我干脆自己实现一个好了，然后我就去官网的标准库查API,但是看了发现标准库提供的函数不支持修改IP首部的TTL
然后我又google了一下，发现官方提供的 golang.org/x/net/ipv4的包竟然支持修改TTL，我满心欢喜地安装了这个包，但是在实现过程中发现，这个包的某些函数也是不支持windows的，如果你查看他的源码会发现，他还没有实现，只是在里面写了个TODO标签。别人也遇到同样的问题，并提交到这个issue里
我本以为修改TTL只是查一下标准库函数就能搞定了，没想到不仅标准库不支持，而且官方提供的包和封装底层系统调用的syscall都不支持windows，这时候我似乎知道他们都用linux的原因了，而且这种平台的差异性已经不是我能搞定的了。应该还是有办法的，但我现在也不打算花时间纠结这个了，本着实现一个linux版本的好了的心态，打算动手开干。
但是我发现官方提供的demo里就有traceroute的实现，而且写得还很精致，既然官方例子已经实现出来了，我就没有必要再去折腾了。
我看了一下源码，思路跟的我差不多。怎么说呢，我觉得到这里，我也算是把traceroute给实现出来了把，虽然我不是去查API从零开始实现的。
代码分析
下面我摘抄一部分核心代码并分析如下：
比如ICMP报文的封装：
wm := icmp.Message{
Type: ipv4.ICMPTypeEcho, Code: 0,
Body: &icmp.Echo{
ID: os.Getpid() & 0xffff,
Data: []byte("HELLO-R-U-THERE"),
},
}echo的ICMP的报文格式应该是type：0，code：0,但是他已经定义并封装好了。
还有这里的ID是进程号，用于区分不同的程序，因为这个字段在报文中是16位的，所以和0xffff做了与运算
wm.Body.(*icmp.Echo).Seq = i
这里是ICMP报文中的序列号，用于区分发送的第几个ICMP数据报
if err := p.SetTTL(i); err != nil {
log.Fatal(err)
}这里是设置每次发送的TTL，封装得太彻底了，一行就搞定
switch rm.Type {
case ipv4.ICMPTypeTimeExceeded:
names, _ := net.LookupAddr(peer.String())
fmt.Printf("%d\t%v %+v %v\n\t%+v\n", i, peer, names, rtt, cm)
case ipv4.ICMPTypeEchoReply:
names, _ := net.LookupAddr(peer.String())
fmt.Printf("%d\t%v %+v %v\n\t%+v\n", i, peer, names, rtt, cm)
return
default:
log.Printf("unknown ICMP message: %+v\n", rm)
}最后是根据这段代码来判断数据报是否已经到目的地的，可以看到如果收到的是TTL超时报文会继续发送，如果收到的是正常的回显，则说明已经到达目的地，函数退出。
由于这个库封装了底层的一些东西，比如不用考虑ICMP校验和字段，IP首部校验和算法的实现，所以实现起来代码量不多，包注释也就100行
完整的代码如下：
package main
import (
"fmt"
"golang.org/x/net/icmp"
"golang.org/x/net/ipv4"
"log"
"net"
"os"
"time"
)
func main() {
// Tracing an IP packet route to www.baidu.com.
const host = "www.baidu.com"
ips, err := net.LookupIP(host)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
var dst net.IPAddr
for _, ip := range ips {
if ip.To4() != nil {
dst.IP = ip
fmt.Printf("using %v for tracing an IP packet route to %s\n", dst.IP, host)
break
}
}
if dst.IP == nil {
log.Fatal("no A record found")
}
c, err := net.ListenPacket("ip4:1", "0.0.0.0") // ICMP for IPv4
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
defer c.Close()
p := ipv4.NewPacketConn(c)
if err := p.SetControlMessage(ipv4.FlagTTL|ipv4.FlagSrc|ipv4.FlagDst|ipv4.FlagInterface, true); err != nil {
log.Fatal(err)
}
wm := icmp.Message{
Type: ipv4.ICMPTypeEcho, Code: 0,
Body: &icmp.Echo{
ID: os.Getpid() & 0xffff,
Data: []byte("HELLO-R-U-THERE"),
},
}
rb := make([]byte, 1500)
for i := 1; i <= 64; i++ { // up to 64 hops
wm.Body.(*icmp.Echo).Seq = i
wb, err := wm.Marshal(nil)
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
if err := p.SetTTL(i); err != nil {
log.Fatal(err)
}
// In the real world usually there are several
// multiple traffic-engineered paths for each hop.
// You may need to probe a few times to each hop.
begin := time.Now()
if _, err := p.WriteTo(wb, nil, &dst); err != nil {
log.Fatal(err)
}
if err := p.SetReadDeadline(time.Now().Add(3 * time.Second)); err != nil {
log.Fatal(err)
}
n, cm, peer, err := p.ReadFrom(rb)
if err != nil {
if err, ok := err.(net.Error); ok && err.Timeout() {
fmt.Printf("%v\t*\n", i)
continue
}
log.Fatal(err)
}
rm, err := icmp.ParseMessage(1, rb[:n])
if err != nil {
log.Fatal(err)
}
rtt := time.Since(begin)
// In the real world you need to determine whether the
// received message is yours using ControlMessage.Src,
// ControlMessage.Dst, icmp.Echo.ID and icmp.Echo.Seq.
switch rm.Type {
case ipv4.ICMPTypeTimeExceeded:
names, _ := net.LookupAddr(peer.String())
fmt.Printf("%d\t%v %+v %v\n\t%+v\n", i, peer, names, rtt, cm)
case ipv4.ICMPTypeEchoReply:
names, _ := net.LookupAddr(peer.String())
fmt.Printf("%d\t%v %+v %v\n\t%+v\n", i, peer, names, rtt, cm)
return
default:
log.Printf("unknown ICMP message: %+v\n", rm)
}
}
}