网络层 - ICMP 应该是你最熟悉的协议了

ICMP 协议

在之前网络层的介绍中，我们知道 IP 提供一种无连接的、尽力而为的服务。这就意味着无法进行流量控制与差错控制。因此在 IP 数据报的传输过程中，出现各种的错误是在所难免的，为了通知源主机 IP 数据报传输过程中遇到的问题，因此设计了因特网控制报文协议(ICMP)。

虽然说 ICMP 协议将 IP 协议封装在内部，所以大多数人将 ICMP 视为传输层的协议，但实际上 ICMP 是 IP 协议的重要组成部分，所以将其放在网络层更为合适。

ICMP 的报文一般有两种，查询报文和查询报文。

查询报文：例如我们在使用 ping 命令，子网掩码查询，时间戳查询等情况时，都会发送查询报文。

差错报文：而差错报文是在当对应的路由器或者终端设备收到查询报文后，产生了一系列问题。把出现的问题，回复给发起者的报文就是差错报文。

但考虑到整体网络资源的占用上，在如下情况下，是不会产生差错报文的：

1. 差错报文不会产生差错报文 - 防止 ICMP 无限产生和传送差错报文
2. 目的地址是广播或多播的 IP 数据包
3. 链路层广播的数据包
4. 不是 IP 分片的第一片 - IP 是尽力而为，自然不需要可靠性
5. 源地址不是某个主机的数据包

ICMP 类型

由于 ICMP 本身就是为了弥补 IP 协议不可靠的特性，起到排错目的，所以它的 Header 并不复杂。

正如图中所示的，对于 ICMP Header 来说，比较重要的就是 Type （8 bit）和 Code （8 bit） 字段，用来表示各种错误的情况。

其中完整的介绍可以参考这篇 wiki，下面就介绍上常用的部分。

Type	code	Description
0	0	Echo 回复报文，如 Ping 命令的回复报文。
3	0	网络不可达
3	1	主机不可达
3	3	协议不可达
3	4	端口不可达
3	6	网络不知道
3	7	主机不知道
8	0	Echo 请求报文，如 Ping 命令的请求报文。
13	0	时间戳请求报文

下面我们抓个包，来看一下。

Ping 命令测试网络连通性

这里在主机上 Ping 下百度，通过 Wireshark 抓到的数据包如下：

先看一下 Echo Request 包，对应 Type 为8，Code 为0：

Echo Reply 包 - Type 为 0，Code 为 0：

Traceroute 测试网络连通性

在 IP 协议中，为了防止出现环路而设置了 TTL 字段。该字段也在 traceroute 中起到了很大的作用，通过设置 TTL 的数值，来获取数据报的传递过程。

TTL：当 IP 数据包进行传送时，每经过一个路由器，TTL 指就会减一，当 TTL = 0 时，该 IP 数据报会被丢弃。

下面就来了解下 Traceroute 的通信过程，用到的拓扑如下：

当主机收到目的主机的 IP 后，会给目的主机发送一个 TTL = 1 的 UDP 数据包。

而经过第一个路由器后，TTL - 1 变成 0.这时路由器会把数据报丢弃，然后把丢弃的数据包的 IP 头部封装起来，回复主机一个差错报文。如下：

这个过程主机会发三次，也就是说会产生 3 个 TTL =1 的 UDP，如下

接着会在再次发送 3 个 TTL = 2 的 UDP 报文，如下

第二个路由器，会再次向主机发送一个差错报文，如下：

这里需要注意的：由于第二台路由器已经相当于是目的地，所以将数据包拆到传输层，但由于传输层上的端口标识了应用层的应用，而在该路由器上不在该应用，进而回复了端口不可达的报文。

也就是说当接受到端口不可达的回包时，会停止发送，由于图中只经过 2 个路由器，所以截止发送到 TTL = 2.

并且我们可以从 TTL = 2 的回复差错报文看出，只有两个差错报文。其中有个差错报文出现了丢失，并且没有给主机回复差错报文丢失的情况