UNIX网络编程——利用ARP和ICMP协议解释ping命令

一、MTU

       以太网和IEEE 802.3对数据帧的长度都有限制，其最大值分别是1500和1492字节，将这个限制称作最大传输单元（MTU，Maximum Transmission Unit）
       如果IP层有一个数据报要传，而且数据的长度比链路层的MTU还大，那么IP层就要进行分片（Fragmentation），把数据报分成若干片，这样每一片都小于MTU。
       当网络上的两台主机互相进行通信时，两台主机之间要经过多个网络，每个网络的链路层可能有不同的MTU，其中两台通信主机路径中的最小MTU被称作路径MTU，Internet上标准MTU为576B。

二、以太网帧格式

                     

       其中的源地址和目的地址是指网卡的硬件地址（也叫MAC地址），长度是48位，是在网卡出厂时固化的。用ifconfig命令看一下，“HWaddr 00:15:F2:14:9E:3F”部分就是硬件地址。协议字段有三种值，分别对应IP、ARP、RARP。帧末尾是CRC校验码。
       以太网帧中的数据长度规定最小46字节，最大1500字节，ARP和RARP数据包的长度不够46字节，要在后面补填充位。ifconfig命令的输出中也有“MTU：1500”。注意，MTU这个概念指数据帧中有效载荷的最大长度，不包括帧首部的长度。

三、ARP（address resolution protocol）

       在网络通讯时，源主机的应用程序知道目的主机的IP地址和端口号，却不知道目的主机的硬件地址，而数据包首先是被网卡接收到再去处理上层协议的，如果接收到的数据包的硬件地址与本机不符，则直接丢弃。因此在通讯前必须获得目的主机的硬件地址。ARP协议就起到这个作用。源主机发出ARP请求，询问“IP地址是10.0.0.1的主机的硬件地址是多少”，并将这个请求广播到本地网段（以太网帧首部的硬件地址填FF:FF:FF:FF:FF:FF表示广播），目的主机接收到广播的ARP请求，发现其中的IP地址与本机相符，则发送一个ARP应答数据包给源主机，将自己的硬件地址填写在应答包中。如下图所示

                                                              

       每台主机都维护一个ARP缓存表，可以用arp -a命令查看。缓存表中的表项有过期时间（一般为20分钟），如果20分钟内没有再次使用某个表项，则该表项失效，下次还要发ARP请求来获得目的主机的硬件地址。

                          

       注意到源MAC地址、目的MAC地址在以太网首部和ARP请求中各出现一次，对于链路层为以太网的情况是多余的，但如果链路层是其它类型的网络则有可能是必要的。硬件类型指链路层网络类型，1为以太网，协议类型指要转换的地址类型，0x0800为IP地址，后面两个地址长度对于以太网地址和IP地址分别为6和4（字节），op字段为1表示ARP请求，op字段为2表示ARP应答。

       地址解析协议的处理流程如下图：

                                                               

四、RARP（Reverse Address Resolution Protocol）

       跟ARP相反的协议，主要用于获取无盘工作站的ip地址，如下图所示，不再赘述。

                                                       

五、ICMP（Internet Control Message Protocol）

       ICMP协议用于传递差错信息、时间、回显、网络信息等控制数据，如下图所示。

                                                                  

       ICMP报文是封装在IP数据报文中进行传输的，如下图所示：

                                                                                                                                         

       具体的类型和代码见下图：

                            

                            

六、利用ARP和ICMP协议解释ping程序

       先看下面的流程图，再来解释：

                 

步骤a：应用程序ping会判断发送的是主机名还是IP地址，如果是主机名会调用函数gethostbyname()解析主机B，将主机名转换成一个32位的IP地址。这个过程叫做DNS域名解析。
步骤b：ping程序向目的IP地址发送一个ICMP的ECHO包
步骤c：将目标主机的IP地址转换为48位硬件地址，在局域网内发送ARP请求广播，查找主机B的硬件地址。
步骤d：主机B的ARP协议层接收到主机A的ARP请求后，将本机的硬件地址填充到应答包，发送ARP应答到主机A。
步骤e：发送ICMP数据包到主机B。
步骤f：主机B接收到主机A的ICMP包，发送响应包。
步骤g：主机A接收到主机B的ICMP包响应包。