深入淺出PingUDP

一、PingUDP端口探究

UDP（User Datagram Protocol 用戶數據報協議）是不可靠的傳輸層協議，它不保證數據傳輸的可靠性和有序性，但具有較小的數據包頭開銷、高效率、快速傳輸等特點。而PingUDP利用UDP傳輸ICMP報文實現了類似Ping的功能，但是在使用中也會出現交互性問題，其中一個常見問題就是端口不正確。

在PingUDP發送ICMP報文時，需要指定目的端口，否則將無法接收到響應，因此我們需要明確PingUDP所使用的默認端口號，或者自行指定端口號來保證正確的通信。

using System.Net.Sockets;
public class PingUDPClient
{
    private readonly UdpClient _udpClient;

    public PingUDPClient(int port = 0)
    {
        _udpClient = new UdpClient(port);
    }

    // ...
}

二、PingUDP端口號的選擇

在實際使用PingUDP時，我們可能需要根據具體的場景自行選擇合適的端口號，以避免端口衝突或其他問題。但並不是所有的端口號都適用於PingUDP。

首先，需要考慮到端口號的非系統預留性，例如1024以下的端口號通常都被系統佔用，而且應用程序必須擁有管理員權限才能夠使用。其次，還應該注意到安全性問題，使用常見的端口號（如80, 443, 21等）可能會被惡意軟件攻擊，因此需要使用不易被掃描的、較為隨機的端口號。

using System.Net.Sockets;
public class PingUDPClient
{
    private readonly UdpClient _udpClient;

    public PingUDPClient(int port = 0)
    {
        // 可以使用一個隨機的端口號
        if (port == 0) 
        {
            var random = new Random();
            byte[] buffer = new byte[2];
            random.NextBytes(buffer);
            port = (buffer[0] << 8) + buffer[1];
        }

        _udpClient = new UdpClient(port);
    }

    // ...
}

三、PingUDP的包頭和數據

UDP報文不僅僅包含了數據的內容，還包含了報文的首部。在PingUDP中，報文的首部包含了類型、代碼、校驗和等信息，且與Ping不同的是，PingUDP將這些信息放在了數據部分。

具體而言，PingUDP的報文結構如下：

 0               1               2               3         
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     Type      |     Code      |          Checksum             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|             Identifier          |           Sequence Number    |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                            Data (200 Bytes Max)               |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

其中，Type佔一個位元組，表示消息類型。Code也佔一個位元組，表示消息的子類型。Checksum佔用兩個位元組，表示整個報文的校驗和。Identifier佔用兩個位元組，Sequence Number佔用兩個位元組，都是為了確定每個PingUDP包的唯一性。而Data最多只有200位元組，用於傳遞不同的測試數據。

using System.Net.Sockets;
public class PingUDPClient
{
    private readonly UdpClient _udpClient;

    public PingUDPClient(int port = 0)
    {
        // ...
    }

    public byte[] SendPing(string hostNameOrAddress, int timeout = 5000)
    {
        IPAddress ipAddress;

        try
        {
            ipAddress = Dns.GetHostAddresses(hostNameOrAddress)[0];
        }
        catch (Exception ex)
        {
            throw new Exception("解析主機名或IP地址失敗：", ex);
        }

        var pingData = new byte[200];

        // 填充數據部分
        new Random().NextBytes(pingData);

        // 填充頭部
        pingData[0] = 8; // Echo Request
        pingData[1] = 0; // Subcode

        var checksum = Checksum(pingData);
        pingData[2] = (byte)(checksum >> 8); // 高位位元組
        pingData[3] = (byte)checksum; // 低位位元組

        // ...

        return null;
    }

    private ushort Checksum(byte[] buffer)
    {
        // ...
    }
}

四、PingUDP的超時處理方式

PingUDP的超時處理方式與Ping類似，都需要設置一個等待時間。但是PingUDP要比Ping更為靈活，因為它可以通過網絡中的路由器設備分散流量，從而避免網絡擁塞和丟包問題。在PingUDP中，我們可以通過設置TTL（Time To Live）和Don’t Fragment（DF）來控制流量。

具體而言，TTL表示生存時間，每經過一個路由器，TTL值就會減1，當TTL值為0時，路由器會把報文丟棄。Don’t Fragment表示不要分片，如果報文長度超出了所經過的某個路由器的MTU（Maximum Transmission Unit），該路由器會將報文拆分成幾個小片進行傳輸，但是設置了該標誌後，路由器就會丟棄該報文。

using System.Net.Sockets;
public class PingUDPClient
{
    // ...

    public byte[] SendPing(string hostNameOrAddress, int timeout = 5000)
    {
        // ...

        _udpClient.Send(pingData, pingData.Length, new IPEndPoint(ipAddress, 0));

        var startTime = Environment.TickCount;

        var receivedData = _udpClient.Receive(ref ipAddress, ref port);

        var roundTripTime = Environment.TickCount - startTime;

        // ...

        return null;
    }
}