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作者：王奎，個(gè)人公號：不止思考

我們在遇到網(wǎng)絡(luò )不通的情況，大家都知道去 ping 一下，看一下網(wǎng)絡(luò )狀況。

那你知道「ping」命令后背的邏輯是什么嗎？知道它是如何實(shí)現的嗎？

一、「ping」命令的作用和原理？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，「ping」是用來(lái)探測本機與網(wǎng)絡(luò )中另一主機之間是否可達的命令，如果兩臺主機之間ping不通，則表明這兩臺主機不能建立起連接。ping是定位網(wǎng)絡(luò )通不通的一個(gè)重要手段。

ping 命令是基于 ICMP 協(xié)議來(lái)工作的，「 ICMP 」全稱(chēng)為 Internet 控制報文協(xié)議（ Internet Control Message Protocol）。ping 命令會(huì )發(fā)送一份ICMP回顯請求報文給目標主機，并等待目標主機返回ICMP回顯應答。因為ICMP協(xié)議會(huì )要求目標主機在收到消息之后，必須返回ICMP應答消息給源主機，如果源主機在一定時(shí)間內收到了目標主機的應答，則表明兩臺主機之間網(wǎng)絡(luò )是可達的。

舉一個(gè)例子來(lái)描述「ping」命令的工作過(guò)程：

1. 假設有兩個(gè)主機，主機A（192.168.0.1）和主機B（192.168.0.2），現在我們要監測主機A和主機B之間網(wǎng)絡(luò )是否可達，那么我們在主機A上輸入命令：ping 192.168.0.2

2. 此時(shí)，ping命令會(huì )在主機A上構建一個(gè) ICMP的請求數據包（數據包里的內容后面再詳述），然后 ICMP協(xié)議會(huì )將這個(gè)數據包以及目標IP（192.168.0.2）等信息一同交給IP層協(xié)議。

3. IP層協(xié)議得到這些信息后，將源地址（即本機IP）、目標地址（即目標IP：192.168.0.2）、再加上一些其它的控制信息，構建成一個(gè)IP數據包。

4. IP數據包構建完成后，還不夠，還需要加上MAC地址，因此，還需要通過(guò)ARP映射表找出目標IP所對應的MAC地址。當拿到了目標主機的MAC地址和本機MAC后，一并交給數據鏈路層，組裝成一個(gè)數據幀，依據以太網(wǎng)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)規則，將它們傳送出出去。

5. 當主機B收到這個(gè)數據幀之后，會(huì )首先檢查它的目標MAC地址是不是本機，如果是就接收下來(lái)處理，接收之后會(huì )檢查這個(gè)數據幀，將數據幀中的IP數據包取出來(lái)，交給本機的IP層協(xié)議，然后IP層協(xié)議檢查完之后，再將ICMP數據包取出來(lái)交給ICMP協(xié)議處理，當這一步也處理完成之后，就會(huì )構建一個(gè)ICMP應答數據包，回發(fā)給主機A

6. 在一定的時(shí)間內，如果主機A收到了應答包，則說(shuō)明它與主機B之間網(wǎng)絡(luò )可達，如果沒(méi)有收到，則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )不可達。除了監測是否可達以外，還可以利用應答時(shí)間和發(fā)起時(shí)間之間的差值，計算出數據包的延遲耗時(shí)。

通過(guò)ping的流程可以發(fā)現，ICMP協(xié)議是這個(gè)過(guò)程的基礎，是非常重要的，因此下面就把ICMP協(xié)議再詳細解釋一下。

二、什么是「 ICMP 」？

我們知道，ping命令是基于ICMP協(xié)議來(lái)實(shí)現的。那么我們再來(lái)看下圖，就明白了ICMP協(xié)議又是通過(guò)IP協(xié)議來(lái)發(fā)送的，即ICMP報文是封裝在IP包中。

IP協(xié)議是一種無(wú)連接的，不可靠的數據包協(xié)議，它并不能保證數據一定被送達，那么我們要保證數據送到就需要通過(guò)其它模塊來(lái)協(xié)助實(shí)現，這里就引入的是ICMP協(xié)議。

當傳送的IP數據包發(fā)送異常的時(shí)候，ICMP就會(huì )將異常信息封裝在包內，然后回傳給源主機。

將上圖再細拆一下可見(jiàn)：

繼續將ICMP協(xié)議模塊細拆:

由圖可知，ICMP數據包由8bit的類(lèi)型字段和8bit的代碼字段以及16bit的校驗字段再加上選項數據組成。

ICMP協(xié)議大致可分為兩類(lèi)：

• 查詢(xún)報文類(lèi)型

• 差錯報文類(lèi)型

1. 查詢(xún)報文類(lèi)型：

查詢(xún)報文主要應用于：ping查詢(xún)、子網(wǎng)掩碼查詢(xún)、時(shí)間戳查詢(xún)等等。

上面講到的ping命令的流程其實(shí)就對應ICMP協(xié)議查詢(xún)報文類(lèi)型的一種使用。在主機A構建ICMP請求數據包的時(shí)候，其ICMP的類(lèi)型字段中使用的是 8 （回送請求），當主機B構建ICMP應答包的時(shí)候，其ICMP類(lèi)型字段就使用的是 0 （回送應答），更多類(lèi)型值參考上表。

對 查詢(xún)報文類(lèi)型 的理解可參考一下文章最開(kāi)始講的ping流程，這里就不做贅述。

2. 差錯報文類(lèi)型：

差錯報文主要產(chǎn)生于當數據傳送發(fā)送錯誤的時(shí)候。

它包括：目標不可達（網(wǎng)絡(luò )不可達、主機不可達、協(xié)議不可達、端口不可達、禁止分片等）、超時(shí)、參數問(wèn)題、重定向（網(wǎng)絡(luò )重定向、主機重定向等）等等。

差錯報文通常包含了引起錯誤的IP數據包的第一個(gè)分片的IP首部，加上該分片數據部分的前8個(gè)字節。

當傳送IP數據包發(fā)生錯誤的時(shí)候（例如 主機不可達），ICMP協(xié)議就會(huì )把錯誤信息封包，然后傳送回源主機，那么源主機就知道該怎么處理了。

那是不是只有遇到錯誤的時(shí)候才能使用 差錯報文類(lèi)型 呢？也不一定。

Traceroute 就是一個(gè)例外，Traceroute是用來(lái)偵測源主機到目標主機之間所經(jīng)過(guò)路由情況的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的規則，制造一些錯誤的事件出來(lái)，然后根據錯誤的事件來(lái)評估網(wǎng)絡(luò )路由情況。

具體做法就是：

Traceroute會(huì )設置特殊的TTL值，來(lái)追蹤源主機和目標主機之間的路由數。首先它給目標主機發(fā)送一個(gè) TTL=1 的UDP數據包，那么這個(gè)數據包一旦在路上遇到一個(gè)路由器，TTL就變成了0（TTL規則是每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器都會(huì )減1），因為T(mén)TL=0了，所以路由器就會(huì )把這個(gè)數據包丟掉，然后產(chǎn)生一個(gè)錯誤類(lèi)型（超時(shí)）的ICMP數據包回發(fā)給源主機，也就是差錯包。這個(gè)時(shí)候源主機就拿到了第一個(gè)路由節點(diǎn)的IP和相關(guān)信息了。

接著(zhù)，源主機再給目標主機發(fā)一個(gè) TTL=2 的UDP數據包，依舊上述流程走一遍，就知道第二個(gè)路由節點(diǎn)的IP和耗時(shí)情況等信息了。

如此反復進(jìn)行，Traceroute就可以拿到從主機A到主機B之間所有路由器的信息了。

但是有個(gè)問(wèn)題是，如果數據包到達了目標主機的話(huà)，即使目標主機接收到TTL值為1的IP數據包，它也是不會(huì )丟棄該數據包的，也不會(huì )產(chǎn)生一份超時(shí)的ICMP回發(fā)數據包的，因為數據包已經(jīng)達到了目的地嘛。那我們應該怎么認定數據包是否達到了目標主機呢？

Traceroute的方法是在源主機發(fā)送UDP數據包給目標主機的時(shí)候，會(huì )設置一個(gè)不可能達到的目標端口號（例如大于30000的端口號），那么當這個(gè)數據包真的到達目標主機的時(shí)候，目標主機發(fā)現沒(méi)有對應的端口號，因此會(huì )產(chǎn)生一份“端口不可達”的錯誤ICMP報文返回給源主機。

可見(jiàn)Traceroute的原理確實(shí)很取巧，很有趣。

以上，就是對ping的基本原理以及ICMP協(xié)議的基本講解了，歡迎大家一起交流。

關(guān)注「程序員的那些事」，不錯過(guò)圈內事