深入理解ICMP协议

在日常工作中，我们经常需要判断网络是否连通，相信大家使用最多的命令就是 ping，traceroute 啦。大家都知道 ping/traceroute 命令是基于 ICMP 协议来实现的，那么什么是 ICMP 协议呢？ping/traceroute 命令又是如何基于 ICMP 实现的呢？

今天这篇文章，我们就来一起搞清楚其中的原理。下面首先我们先来了解一下ICMP 协议。

ICMP协议

ICMP是 Internet Control Message Protocol 的缩写，即互联网控制消息协议。它是互联网协议族的核心协议之一。它用于 TCP/IP 网络中发送控制消息，提供可能发生在通信环境中的各种问题反馈，通过这些信息，使网络管理者可以对所发生的问题作出诊断，然后采取适当的措施解决问题。

虽然 ICMP 是网络层协议，但是它不像 IP 协议和 ARP 协议一样直接传递给数据链路层，而是先封装成 IP 数据包然后再传递给数据链路层。所以在 IP 数据包中如果协议类型字段的值是 1 的话，就表示 IP 数据是 ICMP 报文。IP 数据包就是靠这个协议类型字段来区分不同的数据包的。如下图 WireShark 抓包所示：

在 IP 通信中如果某个包因为未知原因没有到达目的地址，那么这个具体的原因就是由 ICMP 负责告知。而 ICMP 协议的类型定义中就清楚的描述了各种报文的含义。

ICMP协议类型

ICMP协议的类型分为两大类，查询报文和差错报文。如下表：

是不是看起来有点多啊？计算机网络真的是博大精深啊。而平时我们经常使用的少之又少。

ICMP报文格式

从 ICMP 的报文格式来说，ICMP 是 IP 的上层协议。但是 ICMP 是分担了 IP 的一部分功能。所以，他也被认为是与 IP 同层的协议。下面一起来看一下 ICMP 数据包格式和报文内容吧。具体参考下图：

可以看到，我们一层层剥开 ICMP 的外壳，查看其本质。方便我们更好的理解 ICMP 协议。

ICMP协议实现--Ping命令

通过上面的叙述，我们初步了解了 ICMP 协议的内容，那么下面我们来看一下ICMP 的具体实现与应用吧，首先我们来了解查询报文的应用--ping，下面我们通过 ping 同一个子网的主机，来看一下整个过程是怎么样的。

那么比较完整的流程是：

1. 向目的服务器发送回显请求
首先，向目的服务器上执行ping命令，主机会构建一个 ICMP 回显请求消息数据包（类型是8，代码是0），在这个回显请求数据包中，除了类型和代码字段，还被追加了标识符和序号字段。标识符和序号字段分别是 16 位的字段。ping 命令在发送回显请求数据包时，会将进程号填写在标识符里。对于序号，每送出一个数据包数值就增加1。而且，回显请求的选项数据部分用来装任意数据。这个任意数据用来调整 ping 的交互数据包的大小。如下图在 192.168.1.10上执行 ping 192.168.1.1的命令：

ping 命令执行的时候，他的进程号是 43991：

通过 WireShark 抓包可以看出，上图中的 192.168.1.10 主机会构建一个 ICMP 回显请求消息数据包。

上图中我们可以看到 ICMP 的 Type（协议类型）是 8，Code（代码）是 0，Identifier(ping进程号) 是 43991，同时还有 Sequence Number 发送序号11，以及发送时间 。

2. 目的服务器发送回显应答

当192.168.1.10送到 回显请求数据包后，192.168.1.1就会向发送方192.168.1.10发送回显应答（类型是0，代码是0），这个 ICMP 回显应答数据包在 IP 层来看，与被送来的回显请求数据包基本上一样。不同的只有源、目标 IP 地址字段被交换了，Type类型字段里填入了表示回显应答的0。通过 WireShark 抓包可以看出，如下图：

3. 源服务器显示相关数据

如果源服务器可以接收到回显应答数据包，那我们就认为192.168.1.1是正常工作着的。进一步，记住发送回显请求数据包的时间，与接收到回显应答数据包的时间差，就能计算出数据包一去一回所需要的时间。这个时候ping命令就会将目的服务器的 IP 地址，数据大小，往返花费的时间打印到屏幕上。如下图：

ICMP协议实现--traceroute命令

traceroute命令是一款充分利用 ICMP 差错报文类型的应用，其主要用作追踪路由信息，下面我们来逐个查看一下其工作原理。

我们通过执行 traceroute 192.168.1.1，来分析一下他的原理，它的原理就是利用 IP 包的 TTL 从 1 开始按照顺序递增的同时发送 UDP 包，强制接收 ICMP 超时消息的方法。

首先 traceroute 会将 IP 包的 TTL 设置 为 1，然后发送 UDP 包，他会填入一个端口号作为 UDP 目标端口号（默认是：33434-33534）。如下图：

当目的主机收到 UDP 包后，会返回 ICMP 差错报文消息（类型 3，代码 3）。参照上面的表，该错报文类型是端口不可达，说明发送方发出的 UDP 包到达了目的主机。如下图：

这样的过程，traceroute 就可以拿到了所有的路由器 IP，这样子就可以看到从源主机到目的主机过程中的所有路由信息。

当然实际情况有的路由器禁用 ICMP ，那么他就根本不会返回这个 ICMP 差错报文，所以是看不到中间经过的路由IP的。

Tips：traceroute 在类 Unix/Linux 系统中默认使用的是 UDP 协议，也可以通过参数修改为使用 ICMP 协议；Windows 操作系统中只使用 ICMP 协议。

说了这么多，我们还是直接来看一张图吧，基本可以描述清楚 traceroute 的整个过程。如下图：

总结

以上内容就是关于ICMP协议的全部内容啦，相信你看完本篇文章就可以深入理解每一次ping，traceroute背后的工作原理啦。好了，当我们深入学习完以上内容，当我们面对面试官的各种***钻问题时，是不是游刃有余了呢？那么面试官一般都问些什么问题呢？这就给推荐牛客网，各种面试经历，还有在线面试模拟。