大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

大家好，我是?

前面我写了篇水文《获取当前局域网下所有连接设备的ip地址和mac地址》，但是没有想到的是居然上了热榜，也是我个人第一篇上热榜的文章，阅读量瞬间飙升?。然而我的硬核技术文却几乎没有人看到。既然又很多人对这个话题感兴趣，那么我们就继续对相关原理深挖，最好能自己实现，理解透彻。

首先我们回顾一下前文，在前文中我介绍了windows下获取ip地址和arp映射表的命令，通过分析最新arp映射表知道当前网段下在线或下线的设备⭐。

文章使用的技术是通过python调用系统ping命令，实现arp表的更新。然而系统自带的ping命令访问整个网段的ip时，耗时达到了2分钟，后面通过多线程加速，最终也只能提速到最快25秒。这个速度实在延时过大，无法应用于更高级的应用?。

今天我们的目标是就是将Ping整个网段IP的总耗时降低到5秒以内，这样我们就能够在5秒内知道指定mac地址设备的上下线，例如开发一个BOSS来了的摸鱼神器，只要老板的手机一连上wifi，这边在5秒内收到通知，立马停止摸鱼，就保证了平时放心大胆的摸鱼⚡。

那么如何提速呢？经过我几天的苦思冥想，并在学习了一些网络知识后，自己实现了PING命令，成功的实现了放心大胆的摸鱼。于是，在我看了几本书，写了几千行代码，踩了几百个坑后，终于把相关知识理解透了。下面是我将涉及到的核心知识点总结成了这篇文章，所以这篇文章都是非常精简的干货，强烈❤️建议收藏❤️。

学完本文，你的力量将不仅仅止于此，还能够底层化开发任何基于IP协议的自定义协议，当然这要看你自己是否具有举一反三的能力。甚至你还能继续自己深挖，去研究开发比IP协议更底层的协议。

渴望吗？渴望那就学起来吧⁉️下面是本文的知识点目录：

?socket套接字核心知识

?socket简介?

进程间通信指运行的程序之间的数据共享，在1台电脑上可以通过进程号（PID）来唯一标识一个进程进行通信。

在网络中，TCP/IP协议族网络层的“ip地址”可以唯一标识网络中的主机，而传输层的“协议+端口”可以唯一标识主机中的应用进程（进程）。网络中的进程通信就可以通过ip地址，协议，端口这个标志与其它进程进行交互。

socket(简称 套接字) 就是实现网络进程间通信的一种方式，网络上各种各样的服务大多都是基于 Socket 来完成通信的。为了建立通信通道，网络通信的每个端点拥有一个socket套接字对象，它们允许程序接受并进行连接，如发送和接受数据。

? socket链接?

在 Python 中 使用socket 模块的函数 socket 就可以完成：

import socket
socket.socket(family=-1, type=-1, proto=-1, fileno=None)

参数说明：

family为指定的地址族，主要有三种：

• socket.AF_UNIX ：用于同一台机器进程间通信
• socket.AF_INET ：基于ipv4协议的Internet 进程间通信
• socket.AF_INET6 ：基于ipv6协议的Internet 进程间通信

更多的地址族还包括，socket.AF_BLUETOOTH蓝牙相关、socket.AF_VSOCK虚拟机通信、socket.AF_PACKET直连网络设备底层接口等。

type为指定的套接字类型，主要有三种：

• socket.SOCK_STREAM ：流式套接字，使用面向连接的TCP协议实现字节流的传输
• socket.SOCK_DGRAM ：数据报套接字，使用面向非连接的UDP实现数据报套接字
• socket.SOCK_RAW：原始套接字，该套接字允许对较低层协议（如 IP或 ICMP）进行直接访问

更多套接字类型还包括socket.SOCK_RDM和socket.SOCK_SEQPACKET等。

? TCP与UDP通信模型?

对于tcp或udp套接字可以直接使用以下方式进行创建：

import socket

# 创建tcp的套接字
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
# 创建udp的套接字
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
# 不用的时候，关闭套接字
s.close()

**UDP通信模型：**在通信开始之前，不需要建立相关的链接，只需要发送数据即可，类似于写信：

UDP服务端示例代码：

from socket import *
# 创建套接字
udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
# 绑定本地的相关信息，不绑定系统会随机分配
udp_socket.bind(('0.0.0.0', 8080))
# 等待接收对方发送的数据
recv_data = udp_socket.recvfrom(1024) # 1024表示本次接收的最大字节数
# 显示接收到的数据，第1个元素是对方发送的数据，第2个元素是对方的ip和端口
print(recv_data[0].decode('u8'))
# 关闭套接字
udp_socket.close()

UDP客户端示例代码：

from socket import *
# 创建udp套接字
udp_socket = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM)
# 发送数据到指定的电脑上的指定程序中
udp_socket.sendto("你好，服务器~".encode('u8'), ('192.168.1.103', 8080))
# 关闭套接字
udp_socket.close()

**TCP通信模型：**在通信开始之前，一定要先建立相关的链接，才能发送数据，类似于打电话：

TCP服务端示例代码：

from socket import *

# 创建socket
tcp_server_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# 服务器绑定本机ip和端口
tcp_server_socket.bind(('0.0.0.0', 8080))
# 监听端口，128表示最大同时接收128个客户端链接
tcp_server_socket.listen(128)
# 如果有新的客户端来链接服务器，那么就产生一个新的套接字专门为这个客户端服务
client_socket, clientAddr = tcp_server_socket.accept()
# 接收对方发送过来的数据
recv_data = client_socket.recv(1024)  # 接收1024个字节
print('接收到的数据为:', recv_data.decode('u8'))
# 发送一些数据到客户端
client_socket.send("你好客户端!".encode('u8'))
# 关闭为这个客户端服务的套接字
client_socket.close()

TCP客户端示例代码：

from socket import *

# 创建socket
tcp_client_socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM)
# 链接服务器
tcp_client_socket.connect(('192.168.3.31', 8080))
tcp_client_socket.send("测试发送的内容".encode("u8"))
# 接收对方发送过来的数据，最大接收1024个字节
recvData = tcp_client_socket.recv(1024)
print('接收到的数据为:', recvData.decode('u8'))
# 关闭套接字
tcp_client_socket.close()

?SOCK_RAW原始套接字?

上述两种套接字是常规的套接字模式，第三个参数省略或为零(IP协议)会自动选择正确的协议（TCP协议和UDP协议）。

当我们指定套接字类型为socket.SOCK_RAW原始套接字时，第三个参数就需要指定proto协议号。

python的socket库预定义的协议号有：

• socket.IPPROTO_TCP：TCP传输协议，值为6
• socket.IPPROTO_UDP：UDP传输协议，值为17
• socket.IPPROTO_ICMP：ICMP协议，值为1
• socket.IPPROTO_IP：IP协议，值为0
• socket.IPPROTO_RAW：可自行构建IP头部构建更底层的协议，值为1

也可以通过协议名称获取协议号常量：

import socket

print(socket.IPPROTO_ICMP, socket.getprotobyname("icmp"),
      socket.IPPROTO_ICMP == socket.getprotobyname("icmp"))

1 1 True

可以看到两种方式获取协议号均可。

通过原始套接字我们可以使用ICMP或更底层的协议进行通讯从而实现更高级的功能。

我们需要使用ICMP协议进行网络通信就可以使用SOCK_RAW原始套接字：

icmp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_ICMP)

? socket模块和对象的其他常用方法?

socket模块的其他常用方法：

socket.gethostbyname：将主机名转换为IPv4地址格式。IPv4地址以字符串形式返回

socket.gethostname：返回包含Python解释器当前正在执行的机器的主机名的字符串

socket.gethostbyaddr：根据IP地址获取主机名

socket.getprotobyname：将Internet协议名称转换为协议号常量

在主机字节顺序与网络字节顺序不相同的机器上，使用以下方法转换：

	网络顺序转换为主机字节顺序	主机顺序转换为网络字节顺序
32位正整数 4字节的交换操作	socket.ntohl	socket.htonl
16位正整数 2字节的交换操作	socket.ntohs	socket.htons

在主机字节顺序与网络字节顺序相同的机器上，执行以上方法是无操作的。

socket.inet_aton：将字符串格式的IPv4地址打包为32位4字节的字节对象

获取本机ip地址方法1：先获取本机主机名，再通过主机名获取ip

import socket

ip = socket.gethostbyname(socket.gethostname())
print(ip)

192.168.3.31

获取本机所有网卡的IP：

ips = socket.gethostbyname_ex(socket.gethostname())[-1]
print(ips)

['192.168.3.31']

⚠️注意：如果本机没有正确设置主机名时可能无法获取本机ip地址。

socket套接字对象的公用函数套接字函数：

• s.getpeername() :返回连接套接字的远程地址。返回值通常是元组（ipaddr,port）
• s.getsockname() :返回套接字自己的地址。通常是一个元组(ipaddr,port)
• s.setsockopt(level,optname,value) :设置给定套接字选项的值。
• s.getsockopt(level,optname[.buflen]) :返回套接字选项的值。
• s.settimeout(timeout) :设置套接字操作的超时期，timeout是一个浮点数，单位是秒。值为None表示没有超时期。一般，超时期应该在刚创建套接字时设置，因为它们可能用于连接的操作（如connect）
• s.gettimeout() :返回当前超时期的值，单位是秒，如果没有设置超时期，则返回None
• s.fileno() :返回套接字的文件描述符
• s.setblocking(flag) :如果flag为0，则将套接字设为非阻塞模式，否则将套接字设为阻塞模式（默认值）。非阻塞模式下，如果调用recv()没有发现任何数据，或send()调用无法立即发送数据，那么将引起socket.error异常。
• s.makefile() :创建一个与该套接字相关连的文件。

获取本机ip地址方法2：向任意网络地址发送一个无状态的UDP请求后，再通过套接字对象获取自己的地址从而获取本机地址

import socket

def get_local_ip():
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as s:
        s.connect(('1.1.1.1', 80))
        ip, port = s.getsockname()
        return ip
# 获取本机IP
ip = get_local_ip()
print(ip)

192.168.3.31

✅即使无法连接Internet目标地址无法访问（发出报文会丢失），也可以使用该方法获取本机ip地址。

?struct二进制数据的转换?

Python提供了一个struct模块来解决bytes和其他二进制数据类型的转换。

struct的pack函数把任意数据类型变成bytes。

import struct
print(struct.pack('>I', 10240099))

b'\x00\x9c@c'

pack 的第一个参数是处理指令：

• >:表示字节顺序是 big-endian，也就是网络序
• I:表示 4 字节无符号整数
• H:2 字节无符号整数。

后面的参数字节个数要和处理指令一致。
unpack 把 bytes 变成相应的数据类型：

>>> struct.unpack('>IH', b'\xf0\xf0\xf0\xf0\x80\x80')
(4042322160, 32896)

struct模块定义的数据类型可以参考Python官方文档：

https://docs.python.org/zh-cn/3/library/struct.html#format-characters

格式	C 类型	Python 类型	标准大小	注释
x	填充字节	无
c	char	长度为 1 的字节串	1
b	signed char	整数	1	(1), (2)
B	unsigned char	整数	1	-2
?	_Bool	bool	1	-1
h	short	整数	2	-2
H	unsigned short	整数	2	-2
i	int	整数	4	-2
I	unsigned int	整数	4	-2
l	long	整数	4	-2
L	unsigned long	整数	4	-2
q	long long	整数	8	-2
Q	unsigned long long	整数	8	-2
n	ssize_t	整数		-3
N	size_t	整数		-3
e	-6	浮点数	2	-4
f	float	浮点数	4	-4
d	double	浮点数	8	-4
s	char []	字节串
p	char []	字节串
P	void *	整数		-5

? Ping 的工作原理

ping 基于 ICMP 协议工作的，ICMP 全称是 Internet Control Message Protocol，也就是互联网控制报文协议。ping 发出的ICMP 报文实际上是以侦察网络状态的形式实现了控制，反馈网络状态，从而调整传输策略以此控制整个局面。

ICMP 主要的功能包括：**确认 IP 包是否成功送达目标地址、报告发送过程中 IP 包被废弃的原因和改善网络设置等。**ICMP 协议主要负责在 IP 通信中通知某个 IP 包未能达到目标地址的原因。

?ICMP 报文格式?

Ping命令发出的ICMP 报文封装在 IP 包里面的，结构如下：

上述报文格式中，左边的IP头部分不需要太关心，因为我们使用socket的原始套接字模式会自动帮我们封装IP头部分，右边的ICMP报文才是我们需要关心的部分。

⚠️注意：相比原生的 ICMP，Ping命令发出的ICMP报文多出了标识符和序号两个字段。

对于ICMP报文的类型，有两大类：

1. 查询报文类型：用于诊断的查询消息
2. 差错报文类型：通知出错原因的错误消息

不过咱们使用的PING只需要使用查询报文类型中的回送应答和回送请求。

常见的 ICMP 类型包括：

?ICMP查询报文类型?

回送消息：0表示回送应答，8表示回送请求。用于进行通信的主机或路由器之间，判断所发送的数据包是否已经成功到达对端的一种消息。

ping 命令是通过ICMP协议的回送消息实现的：

发送端主机向接收端主机发送一个回送请求（ICMP Echo Request Message，类型 8），只要正常接收到接收端返回的回送响应（ICMP Echo Reply Message，类型 0），则代表发送端主机到接收端主机可达。

?ICMP差错报文类型?

对于差错报文类型，在本次编码中不会用到，无需深究，简单了解一下即可。

ICMP 常见差错报文：

• 目标不可达消息 —— 类型 为 3
• 原点抑制消息 —— 类型 4
• 重定向消息 —— 类型 5
• 超时消息 —— 类型 11

目标不可达消息（Destination Unreachable Message）：

IP 路由器无法将 IP 数据包发送给目标地址时，会给发送端主机返回一个目标不可达的 ICMP 消息，并在这个消息中显示不可达的具体原因，原因记录在 ICMP 包头的代码字段。

由此，根据 ICMP 不可达的具体消息，发送端主机也就可以了解此次发送不可达的具体原因。

目标不可达的原因有：

• 网络不可达代码为 0
• 主机不可达代码为 1
• 协议不可达代码为 2
• 端口不可达代码为 3
• 需要进行分片但设置了不分片位代码为 4

原点抑制消息（ICMP Source Quench Message）：

ICMP 原点抑制消息的目是为了缓和网络拥堵的问题，当路由器向低速线路发送数据时，其发送队列的缓存变为零而无法发送出去时，可以向 IP 包的源地址发送一个 ICMP 原点抑制消息。

但是收到这种 ICMP 消息的主机并不见得真的会增大 IP 包的传输间隔，还可能会引起不公平的网络通信，所以一般不被使用。

重定向消息（ICMP Redirect Message）：

在路由器持有更好的路由信息时，发现发送端主机使用了不是最优的路径发送数据，那么路由器会返回一个 ICMP 重定向消息给这个主机。这个消息中包含了最合适的路由信息和源数据，发送端下次可以发给另外一个更近的路由器。

超时消息（ICMP Time Exceeded Message）：

IP 包中有一个8位的字段叫做 TTL （Time To Live，生存周期），它的值随着每经过一次路由器就会减 1，直到减到 0 时该 IP 包会被丢弃。

此时，IP 路由器将会发送一个ICMP超时消息给发送端主机，并通知该包已被丢弃。设置 IP 包生存周期的主要目的是为了在路由控制遇到问题发生循环状况时，避免 IP 包无休止地在网络上被转发。

也可以通过设置一个较小的 TTL 值 控制包的到达范围。

?socket原始套接字实现PING命令

学了这么多基础的网络知识，我们最终为了什么？就是为了能够自己实现PING命令。相关的网络知识还有很多，但对于我们实现PING命令并没有太大关系，就暂不做深究。

下面我们从实战出现，一步步调试继续深挖PING命令的实现原理。

首先我们创建ICMP协议的原始套接字链接：

import socket

icmp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_ICMP)

?发送回送请求?

然后需要向目标发送一个回送请求，结构如下：

下面开始组织报文数据（对于系列号，我们可以自行决定要发送的值）：

import os
import time
import struct

# 校验需要后面再计算，这里先设置为0
ICMP_ECHO_REQUEST, code, checksum, identifier, serial_num = 8, 0, 0, os.getpid() & 0xFFFF, 0
# 初步打包ICMP头部
header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                     checksum, identifier, serial_num)
# 打包选项数据，包含当前时间戳，后面用Q补齐到192位
data = struct.pack("d", time.time()).ljust(192, b"Q")

计算校验和的规则这里我已经写成代码，大家可以直接看代码：

def calc_checksum(src_bytes):
    """用于计算ICMP报文的校验和"""
    total = 0
    max_count = len(src_bytes)
    count = 0
    while count < max_count:
        val = src_bytes[count + 1]*256 + src_bytes[count]
        total = total + val
        total = total & 0xffffffff
        count = count + 2

    if max_count < len(src_bytes):
        total = total + ord(src_bytes[len(src_bytes) - 1])
        total = total & 0xffffffff

    total = (total >> 16) + (total & 0xffff)
    total = total + (total >> 16)
    answer = ~total
    answer = answer & 0xffff
    answer = answer >> 8 | (answer << 8 & 0xff00)
    return socket.htons(answer)

⚠️注意：最终返回时通过socket.htons方法将数据从主机序转换为网络序。

然后就可以计算出校验和重新打包header：

checksum = calc_checksum(header + data)
header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                     checksum, identifier, serial_num)

然后就可以发送了：

# 发送给目标地址，ICMP协议没有端口的概念端口可以随便填
target_addr = "192.168.3.31"
icmp_socket.sendto(header + data, (target_addr, 1))

⚠️注意：虽然发送给了1号端口，但其实发送给任意端口都可以。

?接收回送响应?

回送响应与回送请求结构一致：

发送完消息后，我们就可以接收回送相应：

# 接收回送请求
recv_packet, addr = icmp_socket.recvfrom(1024)
# 前20字节是ip协议的ip头
icmp_header = recv_packet[20:28]
data = recv_packet[28:]
ICMP_Echo_Reply, code, checksum, identifier, serial_num = struct.unpack(
    "bbHHh", icmp_header
)
time_sent, = struct.unpack("d", data[:struct.calcsize("d")])

⚠️注意：我们接收的回送请求中包含了前20自己的IP头。

从选项数据中可解析出了这个包发送的时间（之前发出时写入的时间）。

?完善ping命令的开发?

虽然标准的PING命令是用以上协议规则实现的，但我们并不需要完全按照上述规范，例如标识符可以发送任何16位的值，序号可以从任意数值开始，选项数据192位的空间也可以用来存放任何数据。

我们在接收回送响应时需要检查包的标识符，确定是自己发出的包才接收。

最终封装出如下方法：

import struct
import time
import os
import socket
import select


def calc_checksum(src_bytes):
    """用于计算ICMP报文的校验和"""
    total = 0
    max_count = len(src_bytes)
    count = 0
    while count < max_count:
        val = src_bytes[count + 1]*256 + src_bytes[count]
        total = total + val
        total = total & 0xffffffff
        count = count + 2

    if max_count < len(src_bytes):
        total = total + ord(src_bytes[len(src_bytes) - 1])
        total = total & 0xffffffff

    total = (total >> 16) + (total & 0xffff)
    total = total + (total >> 16)
    answer = ~total
    answer = answer & 0xffff
    answer = answer >> 8 | (answer << 8 & 0xff00)
    return socket.htons(answer)


def sent_ping(icmp_socket, target_addr, identifier=os.getpid() & 0xFFFF,
              serial_num=0, data=None):
    # 校验需要后面再计算，这里先设置为0
    ICMP_ECHO_REQUEST, code, checksum = 8, 0, 0
    # 初步打包ICMP头部
    header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                         checksum, identifier, serial_num)
    # 打包选项数据
    if data:
        data = data.ljust(192, b"Q")
    else:
        data = struct.pack("d", time.time()).ljust(192, b"Q")
    checksum = calc_checksum(header + data)
    header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                         checksum, identifier, serial_num)
    # 发送给目标地址，ICMP协议没有端口的概念端口可以随便填
    icmp_socket.sendto(header + data, (target_addr, 1))


def receive_pong(icmp_socket, identifier=os.getpid() & 0xFFFF, serial_num=0, timeout=2):
    icmp_socket.settimeout(timeout)
    time_remaining = timeout
    while True:
        start_time = time.time()
        # 接收回送请求
        recv_packet, (ip, port) = icmp_socket.recvfrom(1024)
        time_received = time.time()
        time_spent = time_received-start_time
        # 前20字节是ip协议的ip头
        icmp_header = recv_packet[20:28]
        data = recv_packet[28:]
        ICMP_Echo_Reply, code, checksum, identifier_reciver, serial_num_reciver = struct.unpack(
            "bbHHh", icmp_header
        )
        if identifier_reciver != identifier or serial_num != serial_num_reciver:
            # 不是当前自己发的包则忽略
            time_remaining -= time_spent
            if time_remaining <= 0:
                raise socket.timeout
            continue
        time_sent, = struct.unpack("d", data[:struct.calcsize("d")])
        return int((time_received - time_sent)*1000), ip

192.168.3.31是我当前本机的局域网IP地址，测试一下：

icmp_socket = socket.socket(
    socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_ICMP)
ip = '192.168.3.31'
sent_ping(icmp_socket, ip)
try:
    delay, ip_received = receive_pong(icmp_socket, timeout=2)
    print(f"延迟:{ 
     delay}ms，对方ip:{ 
     ip_received}")
except socket.timeout as e:
    print("超时")

延迟:0ms，对方ip:192.168.3.31

然后再批量ping一下指定当前网段的所有IP：

def get_local_ip():
    with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM) as s:
        s.connect(('1.1.1.1', 80))
        ip, port = s.getsockname()
        return ip


icmp_socket = socket.socket(
    socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_ICMP)

local_ip = get_local_ip()
net_segment = local_ip[:local_ip.rfind(".")]
ips = []
for i in range(1, 255):
    ip = f"{ 
     net_segment}.{ 
     i}"
    sent_ping(icmp_socket, ip)
    print("ping", ip, end=" ")
    try:
        delay, ip_received = receive_pong(icmp_socket, timeout=0.1)
        print(f"延迟:{ 
     delay}ms，对方ip:{ 
     ip_received}")
        ips.append(ip)
    except socket.timeout as e:
        print("超时")
print(ips)
icmp_socket.close()

超时时间0.1秒时，总耗时30秒：

超时时间设置为0.01秒时，总耗时则为2.59秒。

?借助arp表获取当前网段在线设备?

**如何尽量快的获取到当前在线的设备？**经过测试发现，被ping后，ping不通的机器，arp表能够自动删除对应的条目，那么思路1就是快速的向全网段发送回送请求不等待回送响应，然后2秒后取查arp表，即可看到最新的在线设备。

实现思路1：

import struct
import time
import os
import re
import socket
import pandas as pd


def calc_checksum(src_bytes):
    """用于计算ICMP报文的校验和"""
    total = 0
    max_count = len(src_bytes)
    count = 0
    while count < max_count:
        val = src_bytes[count + 1]*256 + src_bytes[count]
        total = total + val
        total = total & 0xffffffff
        count = count + 2

    if max_count < len(src_bytes):
        total = total + ord(src_bytes[len(src_bytes) - 1])
        total = total & 0xffffffff

    total = (total >> 16) + (total & 0xffff)
    total = total + (total >> 16)
    answer = ~total
    answer = answer & 0xffff
    answer = answer >> 8 | (answer << 8 & 0xff00)
    return socket.htons(answer)


def sent_ping(icmp_socket, target_addr, identifier=os.getpid() & 0xFFFF,
              serial_num=0, data=None):
    # 校验需要后面再计算，这里先设置为0
    ICMP_ECHO_REQUEST, code, checksum = 8, 0, 0
    # 初步打包ICMP头部
    header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                         checksum, identifier, serial_num)
    # 打包选项数据
    if data:
        data = data.ljust(192, b"Q")
    else:
        data = struct.pack("d", time.time()).ljust(192, b"Q")
    checksum = calc_checksum(header + data)
    header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                         checksum, identifier, serial_num)
    # 发送给目标地址，ICMP协议没有端口的概念端口可以随便填
    icmp_socket.sendto(header + data, (target_addr, 1))

def get_arp_ip_mac():
    header = None
    with os.popen("arp -a") as res:
        for line in res:
            line = line.strip()
            if not line or line.startswith("接口"):
                continue
            if header is None:
                header = re.split(" {2,}", line.strip())
                break
        df = pd.read_csv(res, sep=" {2,}",
                         names=header, header=0, engine='python')
    return df


def ping_net_segment_all(net_segment):
    with socket.socket(
            socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_ICMP) as icmp_socket:
        for i in range(1, 255):
            ip = f"{ 
     net_segment}.{ 
     i}"
            sent_ping(icmp_socket, ip)


net_segment = "192.168.3"
ping_net_segment_all(net_segment)
# 等待回送响应的到来，预计1秒之内
time.sleep(1)
# 读取最新的arp表
df = get_arp_ip_mac()
df

于是我们获取到了当前网段在线的设备列表：

? 双线程获取指定网段的在线设备?

不过使用arp表查看有个缺陷，只能查看当前网段的，跨网段的在线设备似乎看不到。经分析我使用的台式机通过有线连接到3网段，而手机通过WiFi连接到2网段，所以必须能够分析2网段设备的在线设备才有意义。

思路2：用两个线程一个线程专门发回送请求，一个线程专门接收回送响应，可以通过回送响应获取IP地址，于是就可以得到指定网段的当前在线的设备的ip。

先完成获取在线设备列表：

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import _thread
import struct
import time
import os
import re
import socket
import pandas as pd


def calc_checksum(src_bytes):
    """用于计算ICMP报文的校验和"""
    total = 0
    max_count = len(src_bytes)
    count = 0
    while count < max_count:
        val = src_bytes[count + 1]*256 + src_bytes[count]
        total = total + val
        total = total & 0xffffffff
        count = count + 2

    if max_count < len(src_bytes):
        total = total + ord(src_bytes[len(src_bytes) - 1])
        total = total & 0xffffffff

    total = (total >> 16) + (total & 0xffff)
    total = total + (total >> 16)
    answer = ~total
    answer = answer & 0xffff
    answer = answer >> 8 | (answer << 8 & 0xff00)
    return socket.htons(answer)


def sent_ping(icmp_socket, target_addr, identifier=os.getpid() & 0xFFFF,
              serial_num=0, data=None):
    # 校验需要后面再计算，这里先设置为0
    ICMP_ECHO_REQUEST, code, checksum = 8, 0, 0
    # 初步打包ICMP头部
    header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                         checksum, identifier, serial_num)
    # 打包选项数据
    if data:
        data = data.ljust(192, b"Q")
    else:
        data = struct.pack("d", time.time()).ljust(192, b"Q")
    checksum = calc_checksum(header + data)
    header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                         checksum, identifier, serial_num)
    # 发送给目标地址，ICMP协议没有端口的概念端口可以随便填
    icmp_socket.sendto(header + data, (target_addr, 1))


def receive_pong(icmp_socket, net_segment, timeout=2):
    icmp_socket.settimeout(timeout)
    ips = set()
    while True:
        start_time = time.time()
        try:
            recv_packet, (ip, port) = icmp_socket.recvfrom(1024)
            if ip.startswith(net_segment):
                ips.add(ip)
        except socket.timeout as e:
            break
    return ips


def ping_net_segment_all(icmp_socket, net_segment):
    for i in range(1, 255):
        ip = f"{ 
     net_segment}.{ 
     i}"
        sent_ping(icmp_socket, ip)


icmp_socket = socket.socket(
    socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_ICMP)
with ThreadPoolExecutor() as p:
    p.submit(ping_net_segment_all, icmp_socket, "192.168.2")
    future = p.submit(receive_pong, icmp_socket, "192.168.2", 3)
    ips = future.result()

ips

运行结果，目前我的手机ip为192.168.2.122，运行后被顺利检测到：

{'192.168.2.1',
 '192.168.2.122',
 '192.168.2.17',
 '192.168.2.18',
 '192.168.2.19',
 '192.168.2.20',
 '192.168.2.21',
 '192.168.2.22',
 '192.168.2.23',
 '192.168.2.49'}

关闭手机WiFi后，再次运行，顺利看到该IP的下线。

?完成BOSS来了的摸鱼神器?

在已经将更新时间缩短到5秒以内时，咱们就可以PING指定网段，最后完成分析设备上下线的功能，从而达到最终的目的完成BOSS来了的摸鱼神器。

from concurrent.futures import ThreadPoolExecutor
import _thread
import struct
import time
import os
import re
import socket
import pandas as pd


def calc_checksum(src_bytes):
    """用于计算ICMP报文的校验和"""
    total = 0
    max_count = len(src_bytes)
    count = 0
    while count < max_count:
        val = src_bytes[count + 1]*256 + src_bytes[count]
        total = total + val
        total = total & 0xffffffff
        count = count + 2

    if max_count < len(src_bytes):
        total = total + ord(src_bytes[len(src_bytes) - 1])
        total = total & 0xffffffff

    total = (total >> 16) + (total & 0xffff)
    total = total + (total >> 16)
    answer = ~total
    answer = answer & 0xffff
    answer = answer >> 8 | (answer << 8 & 0xff00)
    return socket.htons(answer)


def sent_ping(icmp_socket, target_addr, identifier=os.getpid() & 0xFFFF,
              serial_num=0, data=None):
    # 校验需要后面再计算，这里先设置为0
    ICMP_ECHO_REQUEST, code, checksum = 8, 0, 0
    # 初步打包ICMP头部
    header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                         checksum, identifier, serial_num)
    # 打包选项数据
    if data:
        data = data.ljust(192, b"Q")
    else:
        data = struct.pack("d", time.time()).ljust(192, b"Q")
    checksum = calc_checksum(header + data)
    header = struct.pack("bbHHh", ICMP_ECHO_REQUEST, code,
                         checksum, identifier, serial_num)
    # 发送给目标地址，ICMP协议没有端口的概念端口可以随便填
    icmp_socket.sendto(header + data, (target_addr, 1))


def receive_pong(icmp_socket, net_segment, timeout=2):
    icmp_socket.settimeout(timeout)
    ips = set()
    while True:
        start_time = time.time()
        try:
            recv_packet, (ip, port) = icmp_socket.recvfrom(1024)
            if ip.startswith(net_segment):
                ips.add(ip)
        except socket.timeout as e:
            break
    return ips


def ping_net_segment_all(icmp_socket, net_segment):
    for i in range(1, 255):
        ip = f"{ 
     net_segment}.{ 
     i}"
        sent_ping(icmp_socket, ip)


last = None
while 1:
    icmp_socket = socket.socket(
        socket.AF_INET, socket.SOCK_RAW, socket.IPPROTO_ICMP)
    with ThreadPoolExecutor() as p:
        p.submit(ping_net_segment_all, icmp_socket, "192.168.2")
        future = p.submit(receive_pong, icmp_socket, "192.168.2")
        ips = future.result()
    if last is None:
        print("当前在线设备：", ips)
    if last:
        up = ips-last
        if up:
            print("\r新上线设备：", up, end=" "*100)
        down = last-ips
        if down:
            print("\r刚下线设备：", down, end=" "*100)
    last = ips
    time.sleep(3)

结果示例：

当前在线设备： {'192.168.2.122', '192.168.2.18', '192.168.2.20', '192.168.2.1', '192.168.2.23', '192.168.2.49', '192.168.2.21', '192.168.2.17', '192.168.2.22', '192.168.2.19'}
刚下线设备： {'192.168.2.122'}  

经测试，手工关闭或打开手机WiFi能够顺利看到设备IP的打印信息。这种方法虽然无法获取MAC地址，但是经测试，同一台机器都会被分配同一个IP，在我当前的网络下是满足要求的，只需要知道老板手机连接的IP就行了。或者观察一下，老板走之后，到底哪个IP下线了，专门去监控这个IP。

更安全的做法就是每看到有新的IP上线都额外警惕一点，如果你是win10系统可以使用如下方法实现系统通知：

from win10toast import ToastNotifier

toaster = ToastNotifier()
toaster.show_toast("通知标题", "通知内容!", duration=10)

上述三个参数分别是通知标题，通知的内容和通知持续的时间，对于摸鱼这种事持续时间可以调大掉，再手工关闭通知，通过pip install win10toast安装。

☀️总结

总算做成了这个摸鱼神器，不过虽然我上面一本正经的讲的津津有味，但不会真有人打算拿这个代码去应用于实际去对付老板吧⁉️不会吧，不会吧⁉️

真打算做摸鱼神器的童鞋，我个人推荐搞个网络摄像头，写个人物图像识别的代码，发现有人进来了都自动提醒，这样才可以更放心的摸鱼。万一老板没连wifi就过来了，这就有点坑。

开发摸鱼神器不是本文本身的目的，学习网络知识自主实现网络协议，从通过实际例子理解网络协议才是本文真正的目的。为了构思本文，我也是苦思冥想了几天几夜了，小小明在这里在线求大家一个3连可以吗？?

我是小小明，咱们下期再见_{别忘了来个三连点亮小红心噢}