网络协议 5 - ICMP 与 ping：投石问路的侦察兵
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？
- 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。
- 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。
- 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：
- 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。
- IP 层检查IP。检查完成后，提取有用的信息交给 ICMP 协议。
- 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。
- 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：
- 刘超-趣谈网络协议系列课；
