Traceroute程序詳解

一、簡介

Traceroute是一種網絡診斷工具，用於確定數據包從源地址到指定目的地址所經過的路由路徑。Traceroute程序發送一系列的數據包（一般為UDP包），逐跳地增加TTL（TTL初值一般為1），獲取相應的ICMP時間超時信息，以確定數據包到達每個路由器所耗費的時間。通過這種方式，Traceroute程序能夠確定到達目的主機所經過的路由路徑，並顯示這些路由器的IP地址、DNS名稱、響應時間等信息，幫助診斷網絡故障。

二、原理

Traceroute的原理是利用IP協議中的TTL字段。每個IP數據報在傳輸時都有一個TTL字段，其初值為一般為64。每經過一個路由器，TTL就會被減1，當TTL被減成0時，數據報就被丟棄。目的主機發送的第一個數據報的TTL被設置為1，它首先到達第一台路由器（一般為本地路由器），此時TTL為0，路由器丟棄該數據報並返回一個ICMP“時間超時”信息給源主機。源主機接收到ICMP信息後，就知道第一台路由器的IP地址，並把TTL加1，再次發送一個TTL值為2的數據報，如此往複直到目的主機。

因此，Traceroute程序在實現時，需要不斷地發送數據包，每次增加TTL，直到數據包到達目的主機。當程序收到目的主機的回復後，就得到了到達目的主機的路徑信息，包括每一個節點的IP地址、響應時間等信息，從而診斷網絡的連通性問題。

三、實現

1. 實現思路

Traceroute程序的實現思路包括以下幾個步驟：

1. 構造UDP數據包，並設置TTL初始值為1，發送到目的主機。
2. 監聽UDP套接字，等待目的主機的回復，記錄下IP地址和響應時間。
3. 將TTL值增加1，重新構造UDP數據包，並發送到目的主機。
4. 重複第2、3步，直到目的主機響應返回或到達最大TTL值。
5. 顯示路由路徑信息。

2. 代碼實現

下面是一個基於Python語言實現的簡單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)
        
        # 綁定套接字，監聽"來自任意地址、端口為port的UDP數據報"
        recv_socket.bind(("", port))
        
        # 記錄發送時間
        start_time = time.time()
        send_socket.sendto("", (dest_name, port))
        
        # 等待接收數據報，超時設為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()

        # 輸出路由信息
        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、結果解析

運行上述程序，可以得到類似如下的輸出結果：

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  *   *

對於每個路由器，程序輸出三個信息：TTL（即經過的路由器數目）、路由器的IP地址、響應時間。其中，星號表示該路由器未返迴響應信息，可能是防火牆等原因，或者程序未發送數據包到該路由器。

五、總結

Traceroute是一種非常有用的網絡診斷工具，它可以通過逐跳地增加TTL字段，獲取每個路由器的IP地址和響應時間，從而確定到達目的主機的路由路徑。本文簡單介紹了Traceroute的原理和實現思路，並給出了Python語言實現的代碼示例，幫助讀者更好地理解並使用Traceroute程序。