网络协议 5

    日常开发中，我们经常会碰到查询网络是否畅通以及域名对应 IP 地址等小需求，这时候用的最多的应该就是 ping 命令了。 那你知道 ping 命令是怎么工作的吗？今天，我们就来一起认识下 ping 命令及其对应的 ICMP 协议。

ICMP 协议

    ICMP 全称 Internet Control Message Protocol，指互联网控制报文协议。

    网络本身是不可靠的，数据包在传输过程中，可能会发生很多突发事件并导致数据传输失败。而网络层的 IP 协议是一个无连接的协议，它不会处理网络层的故障，因此，我们需要其它的协议，在数据包传输出现故障时，能将故障信息传回来，这样才能对应处理相关问题。

    就像在电视剧里看到的古代战争一样，打仗的时候需要通过斥候来传递战局情况，进而更好的控制战局。而 ICMP 报文在网络世界中就充当“斥候”这样的角色。

    ICMP 报文是封装在 IP 包里面的。因为传输指令的时候，肯定需要源地址和目标地址。它本身格式非常简单，如下图：

    ICMP 报文有很多的类型，不同的类型有不同的代码，最常用的类型是主动请求，代码为 8，主动请求的应答，代码为 0。从大的方面看可以分为 查询报文类型和差错报文类型。

查询报文类型

    我们经常在电视剧里听到这样的话：来人，前方战事如何？斥候回来没？一有情况，立刻通报。

    类似这种主帅发起，主动查看敌情的情况，就对应着 ICMP的查询报文类型。例如，常见的 ping 命令就是查询报文，是一种主动请求，并且获得主动应答的 ICMP 协议。因此，ping 命令发出的包也是符合 ICMP 协议格式的，只不过它在后面增加了自己的格式。

    对 ping 的主动请求，进行网络抓包，称为 ICMP ECHO REQUEST。同理，主动请求的回复，称为ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP，这里面多了两个字段，一个是标识符，另一个是序号。这不难理解，大帅派出去两队斥候，一队是找谁要的，一队是侦查战况的，要有个标识才能区分。

    另一方面，派出去的斥候，都要编个号。如果派出去 10 个，回来 10 个，就说明前方战况不错。如果派出去 10 个，回来 2 个，就说明情况可能不妙。

    在选项数据中，ping 还会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程的长短。

差错报文类型

    差错报文主要是用来将发送的出错报文相关信息返回到源设备，以供源设备确定如果更好的重发失败的数据包。

    还是拿我们的“大帅”举例。

    当主帅正在大帐中看地图，思考战事时，外面的小兵突然喊到：大帅，不好啦，张将军遭遇埋伏，全军覆没了。

    这种是异常情况发起的，来报告发生了不好的事情，对应 ICMP 的差错报文。

    差错报文有以下常用的类型：

• 3：终点不可达
• 4：源抑制
• 5：重定向
• 11：超时

    第一种情况终点不可达。小兵报告，大帅，送给张将军的粮草没有送到。

    那大帅肯定会问，为啥没有送到？这就对应 ICMP 中的以下代码了。

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

    具体的场景就像这样：

• 网络不可达：大帅，找不到地方
• 主机不可达：大帅，找到地方，没找到张将军
• 协议不可达：大帅，找到地方，也找到人了，但是口令没对上。
• 端口不可达：大帅，找到地方，找到了人，也对上了口令，但事情没对上。我去送粮草，人家说在等救兵。
• 需要进行分片但设置不分片：大帅，走到一半，山路狭窄，想换瞎扯，但是出发前你下令严禁换小车，就没办法送到了。

    第二种是源站抑制。也就是让源站放慢发送速度（小兵：大帅，粮草送的太多了吃不完，你可以慢点送）。

    第三种是时间超时。也就是超过网络包的生存时间还是没到目的地（大帅，送粮草的人都把粮食吃完了，还没到地方，已经饿死了）。

    第四种是路由重定向。也就是下次发给另一个路由器（大帅，上次送粮草的人本来只要走大王村，一公里就到了，结果非要绕道张家界，多了五公里，下次记得走大王村）。

    差错报文的结构相对复杂一些。除了前面还是 IP，ICMP 的前 8 个字节不变，后面则跟上出错的那个 IP 包的 IP 头和 IP 正文的前 8 个字节。

    而且这类斥候特别尽责，不但字节返回来报信，还把一部分遗物带回来。

• 斥候：大帅，张将军已经战死沙场，这是他的印信和佩剑。
• 大帅：张将军是怎么死的（可以查看 ICMP 的前 8 字节）？没错，这是张将军的剑（IP 数据包的头及正文前 8 字节）。

ping：查询报文类型的使用

    接下来，我们重点来看 ping 命令的发送和接收过程。

    假定主机 A 的 IP 地址是 192.168.1.1，主机 B 的 IP 地址是 192.168.1.2，它们都在同一个子网。那么，当在主机 A 上运行“ping 192.168.1.2” 后，会发生什么呢？

1. 源主机构建 ICMP 请求数据包。这个数据包内包含多个字段。最重要的有两个，一个是类型字段，对应请求数据包而言，该字段为 8。另一个是顺序号，主要用于区分连续 ping 的时候发出的多个数据包。每发出一个请求数据包，顺序号会自动加 1.为了能够计算往返时间 RTT，它会在报文的数据部分插入发送时间。
2. IP 层构建 IP 数据包。ICMP 协议将数据包连同目标 IP 一起交给 IP 层，IP 层将以 192.168.1.2 作为目的地址，本机 IP 地址作为源地址，加上其他控制信息，构建一个 IP 数据包。
3. 加入 MAC 头。找到 192.168.1.2 对应的 MAC 地址，附加上一些控制信息，依据以太网的介质访问规则，将它们传送出去。

    主机 B 收到数据帧后，会进行如下步骤：

1. 检查 MAC 地址，丢弃或接收数据帧，提取 IP 数据包。检查数据包目的 MAC 地址，并与本机 MAC 地址对比。如符合，就接收数据帧，否则就丢弃。接收后检查数据帧，将 IP 数据包从帧中提取处理，交给本机的 IP 层。
2. IP 层检查IP。检查完成后，提取有用的信息交给 ICMP 协议。
3. 构建 ICMP 应答包。应答数据包的类型字段为 0，顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号。
4. 将应答数据包发给主机 A。

    在规定的时间内，源主机如果没有接到 ICMP 的应答包，则说明目标主机不可达。

    如果接收到了应打包，则说明目标主机可达。此时，源主机会检测时间延迟。就是用当前时刻减该数据包从源主机发出去的时刻。

    当然，这只是最简单的，同个局域网的情况。如果跨网段的话，还会涉及网关的转发、路由器的转发等。

    可以看出，ping 命令是使用了 ICMP 里面的 ECHO REQUEST 和 ECHO REPLY 类型。

    那其它类型呢？是不是只有真正遇到错误的时候，才能收到？答案是否定的。有一个 Traceroute 命令，它会使用 ICMP 的规则，故意制造一些能够产生错误的场景。

Traceroute：差错报文类型的使用

    Traceroute 命令有两个比较常用的功能。

    第一个功能：

    通过设置特殊的 TTL，追踪去往目的地时经过的路由器

    Traceroute 的参数执行某个目的 IP 地址，会发送一个 UDP 的数据包。

    将 TTL 设置成 1 时，表示这个数据包的 MP 为 1，碰到第一个“拦路虎”（通常是路由器或一个其它类型的关卡）就会阵亡了，然后就会返回一个 ICMP 包，这个包就是 网络差错包，类型是时间超时。

    通过差错包，我们就能得到数据包到第一个关卡时花费的时间及其每个关卡的 IP 地址（有的主机不会响应 ICMP，所以会出现请求时全是 * 的情况）。

    那怎么知道 UDP 有没有到达目的主机呢？Traceroute 程序会发送一份 UDP 数据包给目的主机，但它会选择一个不可能的值作为 UDP 端口号（大于30000）。当该数据报到达目的主机时，由于找不到对应端口号，所以会返回一个“端口不可达”的错误报文。这样，我们就知道 UDP 是否到达主机了。

    第二个功能：

    设置数据包不分片，确定路径的 MTU

    发送分组，并设置“不分片”标志。发送的第一个分组的长度正好与出口的 MTU 相等。如果中间遇到窄的关卡就会被卡主，返回 ICMP 网络差错包，类型是“需要进行分片但设置了不分片”。就这样，每次收到ICMP“不能分片”差错时就减小分组的长度，从而确定整个路径中的 MTU。

总结

• ICMP 相当于网络世界的侦察兵。常用的有两种类型，主动探查的查询报文和异常报告的差错报文。
• ping 命令使用查询报文，Traceroute 命令使用差错报文。

参考：

1. 刘超-趣谈网络协议系列课；