摘要：協(xié)議全稱，指互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議。對(duì)的主動(dòng)請(qǐng)求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)抓包，稱為。小兵報(bào)告，大帥，送給張將軍的糧草沒有送到。接收后檢查數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)包從幀中提取處理，交給本機(jī)的層。檢查完成后，提取有用的信息交給協(xié)議。

????日常開發(fā)中，我們經(jīng)常會(huì)碰到查詢網(wǎng)絡(luò)是否暢通以及域名對(duì)應(yīng) IP 地址等小需求，這時(shí)候用的最多的應(yīng)該就是 ping 命令了。 那你知道 ping 命令是怎么工作的嗎？今天，我們就來一起認(rèn)識(shí)下 ping 命令及其對(duì)應(yīng)的 ICMP 協(xié)議。

????ICMP 全稱 Internet Control Message Protocol，指互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議。

????網(wǎng)絡(luò)本身是不可靠的，數(shù)據(jù)包在傳輸過程中，可能會(huì)發(fā)生很多突發(fā)事件并導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸失敗。而網(wǎng)絡(luò)層的 IP 協(xié)議是一個(gè)無連接的協(xié)議，它不會(huì)處理網(wǎng)絡(luò)層的故障，因此，我們需要其它的協(xié)議，在數(shù)據(jù)包傳輸出現(xiàn)故障時(shí)，能將故障信息傳回來，這樣才能對(duì)應(yīng)處理相關(guān)問題。

????就像在電視劇里看到的古代戰(zhàn)爭(zhēng)一樣，打仗的時(shí)候需要通過斥候來傳遞戰(zhàn)局情況，進(jìn)而更好的控制戰(zhàn)局。而 ICMP 報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)世界中就充當(dāng)“斥候”這樣的角色。

????ICMP 報(bào)文是封裝在 IP 包里面的。因?yàn)閭鬏斨噶畹臅r(shí)候，肯定需要源地址和目標(biāo)地址。它本身格式非常簡(jiǎn)單，如下圖：

????ICMP 報(bào)文有很多的類型，不同的類型有不同的代碼，最常用的類型是主動(dòng)請(qǐng)求，代碼為 8，主動(dòng)請(qǐng)求的應(yīng)答，代碼為 0。從大的方面看可以分為 查詢報(bào)文類型和差錯(cuò)報(bào)文類型。

????我們經(jīng)常在電視劇里聽到這樣的話：來人，前方戰(zhàn)事如何？斥候回來沒？一有情況，立刻通報(bào)。

????類似這種主帥發(fā)起，主動(dòng)查看敵情的情況，就對(duì)應(yīng)著 ICMP的查詢報(bào)文類型。例如，常見的 ping 命令就是查詢報(bào)文，是一種主動(dòng)請(qǐng)求，并且獲得主動(dòng)應(yīng)答的 ICMP 協(xié)議。因此，ping 命令發(fā)出的包也是符合 ICMP 協(xié)議格式的，只不過它在后面增加了自己的格式。

????對(duì) ping 的主動(dòng)請(qǐng)求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)抓包，稱為 ICMP ECHO REQUEST。同理，主動(dòng)請(qǐng)求的回復(fù)，稱為ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP，這里面多了兩個(gè)字段，一個(gè)是標(biāo)識(shí)符，另一個(gè)是序號(hào)。這不難理解，大帥派出去兩隊(duì)斥候，一隊(duì)是找誰要的，一隊(duì)是偵查戰(zhàn)況的，要有個(gè)標(biāo)識(shí)才能區(qū)分。

????另一方面，派出去的斥候，都要編個(gè)號(hào)。如果派出去 10 個(gè)，回來 10 個(gè)，就說明前方戰(zhàn)況不錯(cuò)。如果派出去 10 個(gè)，回來 2 個(gè)，就說明情況可能不妙。

????在選項(xiàng)數(shù)據(jù)中，ping 還會(huì)存放發(fā)送請(qǐng)求的時(shí)間值，來計(jì)算往返時(shí)間，說明路程的長(zhǎng)短。

????差錯(cuò)報(bào)文主要是用來將發(fā)送的出錯(cuò)報(bào)文相關(guān)信息返回到源設(shè)備，以供源設(shè)備確定如果更好的重發(fā)失敗的數(shù)據(jù)包。

????還是拿我們的“大帥”舉例。

????當(dāng)主帥正在大帳中看地圖，思考戰(zhàn)事時(shí)，外面的小兵突然喊到：大帥，不好啦，張將軍遭遇埋伏，全軍覆沒了。

????這種是異常情況發(fā)起的，來報(bào)告發(fā)生了不好的事情，對(duì)應(yīng) ICMP 的差錯(cuò)報(bào)文。

????差錯(cuò)報(bào)文有以下常用的類型：

3：終點(diǎn)不可達(dá)

4：源抑制

5：重定向

11：超時(shí)

????第一種情況終點(diǎn)不可達(dá)。小兵報(bào)告，大帥，送給張將軍的糧草沒有送到。

????那大帥肯定會(huì)問，為啥沒有送到？這就對(duì)應(yīng) ICMP 中的以下代碼了。

網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)代碼：0

主機(jī)不可達(dá)代碼：1

協(xié)議不可達(dá)：2

端口不可達(dá)：3

需要進(jìn)行分片但設(shè)置了不分片：4

????具體的場(chǎng)景就像這樣：

網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)：大帥，找不到地方

主機(jī)不可達(dá)：大帥，找到地方，沒找到張將軍

協(xié)議不可達(dá)：大帥，找到地方，也找到人了，但是口令沒對(duì)上。

端口不可達(dá)：大帥，找到地方，找到了人，也對(duì)上了口令，但事情沒對(duì)上。我去送糧草，人家說在等救兵。

需要進(jìn)行分片但設(shè)置不分片：大帥，走到一半，山路狹窄，想換瞎扯，但是出發(fā)前你下令嚴(yán)禁換小車，就沒辦法送到了。

????第二種是源站抑制。也就是讓源站放慢發(fā)送速度（小兵：大帥，糧草送的太多了吃不完，你可以慢點(diǎn)送）。

????第三種是時(shí)間超時(shí)。也就是超過網(wǎng)絡(luò)包的生存時(shí)間還是沒到目的地（大帥，送糧草的人都把糧食吃完了，還沒到地方，已經(jīng)餓死了）。

????第四種是路由重定向。也就是下次發(fā)給另一個(gè)路由器（大帥，上次送糧草的人本來只要走大王村，一公里就到了，結(jié)果非要繞道張家界，多了五公里，下次記得走大王村）。

????差錯(cuò)報(bào)文的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些。除了前面還是 IP，ICMP 的前 8 個(gè)字節(jié)不變，后面則跟上出錯(cuò)的那個(gè) IP 包的 IP 頭和 IP 正文的前 8 個(gè)字節(jié)。

????而且這類斥候特別盡責(zé)，不但字節(jié)返回來報(bào)信，還把一部分遺物帶回來。

斥候：大帥，張將軍已經(jīng)戰(zhàn)死沙場(chǎng)，這是他的印信和佩劍。

大帥：張將軍是怎么死的（可以查看 ICMP 的前 8 字節(jié)）？沒錯(cuò)，這是張將軍的劍（IP 數(shù)據(jù)包的頭及正文前 8 字節(jié)）。

????接下來，我們重點(diǎn)來看 ping 命令的發(fā)送和接收過程。

????假定主機(jī) A 的 IP 地址是 192.168.1.1，主機(jī) B 的 IP 地址是 192.168.1.2，它們都在同一個(gè)子網(wǎng)。那么，當(dāng)在主機(jī) A 上運(yùn)行“ping 192.168.1.2” 后，會(huì)發(fā)生什么呢？

源主機(jī)構(gòu)建 ICMP 請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。這個(gè)數(shù)據(jù)包內(nèi)包含多個(gè)字段。最重要的有兩個(gè)，一個(gè)是類型字段，對(duì)應(yīng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包而言，該字段為 8。另一個(gè)是順序號(hào)，主要用于區(qū)分連續(xù) ping 的時(shí)候發(fā)出的多個(gè)數(shù)據(jù)包。每發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，順序號(hào)會(huì)自動(dòng)加 1.為了能夠計(jì)算往返時(shí)間 RTT，它會(huì)在報(bào)文的數(shù)據(jù)部分插入發(fā)送時(shí)間。

IP 層構(gòu)建 IP 數(shù)據(jù)包。ICMP 協(xié)議將數(shù)據(jù)包連同目標(biāo) IP 一起交給 IP 層，IP 層將以 192.168.1.2 作為目的地址，本機(jī) IP 地址作為源地址，加上其他控制信息，構(gòu)建一個(gè) IP 數(shù)據(jù)包。

加入 MAC 頭。找到 192.168.1.2 對(duì)應(yīng)的 MAC 地址，附加上一些控制信息，依據(jù)以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問規(guī)則，將它們傳送出去。

????主機(jī) B 收到數(shù)據(jù)幀后，會(huì)進(jìn)行如下步驟：

檢查 MAC 地址，丟棄或接收數(shù)據(jù)幀，提取 IP 數(shù)據(jù)包。檢查數(shù)據(jù)包目的 MAC 地址，并與本機(jī) MAC 地址對(duì)比。如符合，就接收數(shù)據(jù)幀，否則就丟棄。接收后檢查數(shù)據(jù)幀，將 IP 數(shù)據(jù)包從幀中提取處理，交給本機(jī)的 IP 層。

IP 層檢查IP。檢查完成后，提取有用的信息交給 ICMP 協(xié)議。

構(gòu)建 ICMP 應(yīng)答包。應(yīng)答數(shù)據(jù)包的類型字段為 0，順序號(hào)為接收到的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包中的順序號(hào)。

將應(yīng)答數(shù)據(jù)包發(fā)給主機(jī) A。

????在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，源主機(jī)如果沒有接到 ICMP 的應(yīng)答包，則說明目標(biāo)主機(jī)不可達(dá)。

????如果接收到了應(yīng)打包，則說明目標(biāo)主機(jī)可達(dá)。此時(shí)，源主機(jī)會(huì)檢測(cè)時(shí)間延遲。就是用當(dāng)前時(shí)刻減該數(shù)據(jù)包從源主機(jī)發(fā)出去的時(shí)刻。

????當(dāng)然，這只是最簡(jiǎn)單的，同個(gè)局域網(wǎng)的情況。如果跨網(wǎng)段的話，還會(huì)涉及網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)、路由器的轉(zhuǎn)發(fā)等。

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

????那其它類型呢？是不是只有真正遇到錯(cuò)誤的時(shí)候，才能收到？答案是否定的。有一個(gè) Traceroute 命令，它會(huì)使用 ICMP 的規(guī)則，故意制造一些能夠產(chǎn)生錯(cuò)誤的場(chǎng)景。

????Traceroute 命令有兩個(gè)比較常用的功能。

????第一個(gè)功能：

????通過設(shè)置特殊的 TTL，追蹤去往目的地時(shí)經(jīng)過的路由器

????Traceroute 的參數(shù)執(zhí)行某個(gè)目的 IP 地址，會(huì)發(fā)送一個(gè) UDP 的數(shù)據(jù)包。

????將 TTL 設(shè)置成 1 時(shí)，表示這個(gè)數(shù)據(jù)包的 MP 為 1，碰到第一個(gè)“攔路虎”（通常是路由器或一個(gè)其它類型的關(guān)卡）就會(huì)陣亡了，然后就會(huì)返回一個(gè) ICMP 包，這個(gè)包就是 網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)包，類型是時(shí)間超時(shí)。

????通過差錯(cuò)包，我們就能得到數(shù)據(jù)包到第一個(gè)關(guān)卡時(shí)花費(fèi)的時(shí)間及其每個(gè)關(guān)卡的 IP 地址（有的主機(jī)不會(huì)響應(yīng) ICMP，所以會(huì)出現(xiàn)請(qǐng)求時(shí)全是 * 的情況）。

????那怎么知道 UDP 有沒有到達(dá)目的主機(jī)呢？Traceroute 程序會(huì)發(fā)送一份 UDP 數(shù)據(jù)包給目的主機(jī)，但它會(huì)選擇一個(gè)不可能的值作為 UDP 端口號(hào)（大于30000）。當(dāng)該數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)目的主機(jī)時(shí)，由于找不到對(duì)應(yīng)端口號(hào)，所以會(huì)返回一個(gè)“端口不可達(dá)”的錯(cuò)誤報(bào)文。這樣，我們就知道 UDP 是否到達(dá)主機(jī)了。

????第二個(gè)功能：

????設(shè)置數(shù)據(jù)包不分片，確定路徑的 MTU

????發(fā)送分組，并設(shè)置“不分片”標(biāo)志。發(fā)送的第一個(gè)分組的長(zhǎng)度正好與出口的 MTU 相等。如果中間遇到窄的關(guān)卡就會(huì)被卡主，返回 ICMP 網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)包，類型是“需要進(jìn)行分片但設(shè)置了不分片”。就這樣，每次收到ICMP“不能分片”差錯(cuò)時(shí)就減小分組的長(zhǎng)度，從而確定整個(gè)路徑中的 MTU。

ICMP 相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)世界的偵察兵。常用的有兩種類型，主動(dòng)探查的查詢報(bào)文和異常報(bào)告的差錯(cuò)報(bào)文。

ping 命令使用查詢報(bào)文，Traceroute 命令使用差錯(cuò)報(bào)文。

參考：

劉超-趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議系列課；