Traceroute程序详解

一、简介

Traceroute是一种网络诊断工具，用于确定数据包从源地址到指定目的地址所经过的路由路径。Traceroute程序发送一系列的数据包（一般为UDP包），逐跳地增加TTL（TTL初值一般为1），获取相应的ICMP时间超时信息，以确定数据包到达每个路由器所耗费的时间。通过这种方式，Traceroute程序能够确定到达目的主机所经过的路由路径，并显示这些路由器的IP地址、DNS名称、响应时间等信息，帮助诊断网络故障。

二、原理

Traceroute的原理是利用IP协议中的TTL字段。每个IP数据报在传输时都有一个TTL字段，其初值为一般为64。每经过一个路由器，TTL就会被减1，当TTL被减成0时，数据报就被丢弃。目的主机发送的第一个数据报的TTL被设置为1，它首先到达第一台路由器（一般为本地路由器），此时TTL为0，路由器丢弃该数据报并返回一个ICMP“时间超时”信息给源主机。源主机接收到ICMP信息后，就知道第一台路由器的IP地址，并把TTL加1，再次发送一个TTL值为2的数据报，如此往复直到目的主机。

因此，Traceroute程序在实现时，需要不断地发送数据包，每次增加TTL，直到数据包到达目的主机。当程序收到目的主机的回复后，就得到了到达目的主机的路径信息，包括每一个节点的IP地址、响应时间等信息，从而诊断网络的连通性问题。

三、实现

1. 实现思路

Traceroute程序的实现思路包括以下几个步骤：

1. 构造UDP数据包，并设置TTL初始值为1，发送到目的主机。
2. 监听UDP套接字，等待目的主机的回复，记录下IP地址和响应时间。
3. 将TTL值增加1，重新构造UDP数据包，并发送到目的主机。
4. 重复第2、3步，直到目的主机响应返回或到达最大TTL值。
5. 显示路由路径信息。

2. 代码实现

下面是一个基于Python语言实现的简单traceroute程序：

import socket
import struct
import time

def main(dest_name, dest_addr, max_hops):
    port = 33434
    icmp = socket.getprotobyname('icmp')
    udp = socket.getprotobyname('udp')
    ttl = 1

    while True:
        recv_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, icmp)
        send_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM, udp)
        send_socket.setsockopt(socket.SOL_IP, socket.IP_TTL, ttl)
        
        # 绑定套接字，监听"来自任意地址、端口为port的UDP数据报"
        recv_socket.bind(("", port))
        
        # 记录发送时间
        start_time = time.time()
        send_socket.sendto("", (dest_name, port))
        
        # 等待接收数据报，超时设为1秒
        try:
            recv_socket.settimeout(1)
            _, curr_addr = recv_socket.recvfrom(512)
            curr_time = (time.time() - start_time) * 1000
            curr_addr = curr_addr[0]
            try:
                curr_name = socket.gethostbyaddr(curr_addr)[0]
            except socket.error:
                curr_name = curr_addr
        except socket.timeout:
            curr_name = "*"
            curr_addr = None
            curr_time = None

        send_socket.close()
        recv_socket.close()

        # 输出路由信息
        if curr_addr is not None:
            curr_host = "%s (%s)" % (curr_name, curr_addr)
        else:
            curr_host = "*"
        print("%d\t%s\t%.0fms" % (ttl, curr_host, curr_time))

        if curr_addr == dest_addr or ttl >= max_hops:
            break
        else:
            ttl += 1

if __name__ == "__main__":
    dest_name = "www.baidu.com"
    dest_addr = socket.gethostbyname(dest_name)
    max_hops = 30
    main(dest_name, dest_addr, max_hops)

四、结果解析

运行上述程序，可以得到类似如下的输出结果：

1   *   *
2   192.168.1.1  1ms
3   172.16.9.196  4ms
4   202.106.88.77  17ms
5   202.106.35.218  25ms
6   202.97.53.21  25ms
7   220.181.22.158  25ms
8   180.149.144.235  25ms
9   220.181.16.17  24ms
10  61.135.113.154  29ms
11  *   *
12  *   *
13  *   *
14  *   *
15  *   *
16  *   *
17  *   *
18  *   *
19  *   *
20  *   *
21  *   *
22  *   *
23  *   *
24  *   *
25  *   *
26  *   *
27  *   *
28  *   *
29  *   *
30  *   *

对于每个路由器，程序输出三个信息：TTL（即经过的路由器数目）、路由器的IP地址、响应时间。其中，星号表示该路由器未返回响应信息，可能是防火墙等原因，或者程序未发送数据包到该路由器。

五、总结

Traceroute是一种非常有用的网络诊断工具，它可以通过逐跳地增加TTL字段，获取每个路由器的IP地址和响应时间，从而确定到达目的主机的路由路径。本文简单介绍了Traceroute的原理和实现思路，并给出了Python语言实现的代码示例，帮助读者更好地理解并使用Traceroute程序。