TCP／IP详解，卷1：协议--第7章 Ping程序

Posted 2021-03-14 ygjzs

引言

“p i n g”这个名字源于声纳定位操作。 P i n g程序由Mike Muuss编写，目的是为了测试另一
台主机是否可达。该程序发送一份 I C M P回显请求报文给主机，并等待返回 I C M P回显应答
（图6 - 3列出了所有的I C M P报文类型）。
一般来说，如果不能 P i n g到某台主机，那么就不能 Te l n e t或者F T P到那台主机。反过来，
如果不能Te l n e t到某台主机，那么通常可以用 P i n g程序来确定问题出在哪里。 P i n g程序还能测
出到这台主机的往返时间，以表明该主机离我们有“多远”。
在本章中，我们将使用 P i n g程序作为诊断工具来深入剖析 I C M P。P i n g还给我们提供了检
测I P记录路由和时间戳选项的机会

几年前我们还可以作出这样没有限定的断言，如果不能 P i n g到某台主机，那么就
不能Te l n e t或F T P到那台主机。随着I n t e r n e t安全意识的增强，出现了提供访问控制清单
的路由器和防火墙，那么像这样没有限定的断言就不再成立了。一台主机的可达性可
能不只取决于I P层是否可达，还取决于使用何种协议以及端口号。P i n g程序的运行结果
可能显示某台主机不可达，但我们可以用Te l n e t远程登录到该台主机的2 5号端口（邮件
服务器）

Ping程序
我们称发送回显请求的 p i n g程序为客户，而称被p i n g的主机为服务器。大多数的 T C P / I P
实现都在内核中直接支持 P i n g服务器 — 这种服务器不是一个用户进程（在第 6章中描述的两
种I C M P查询服务，地址掩码和时间戳请求，也都是直接在内核中进行处理的）。
I C M P回显请求和回显应答报文如图7 - 1所示。

对于其他类型的I C M P查询报文，服务器必须响应标识符和序列号字段。另外，客户发送
的选项数据必须回显，假设客户对这些信息都会感兴趣。

U n i x系统在实现p i n g程序时是把I C M P报文中的标识符字段置成发送进程的 I D号。这样
即使在同一台主机上同时运行了多个 p i n g程序实例，p i n g程序也可以识别出返回的信息。
序列号从0开始，每发送一次新的回显请求就加 1。p i n g程序打印出返回的每个分组的序
列号，允许我们查看是否有分组丢失、失序或重复。 I P是一种最好的数据报传递服务，因此
这三个条件都有可能发生。
旧版本的p i n g程序曾经以这种模式运行，即每秒发送一个回显请求，并打印出返回的每
个回显应答。但是，新版本的实现需要加上- s选项才能以这种模式运行。默认情况下，新版
本的p i n g程序只发送一个回显请求。如果收到回显应答，则输出“ host is alive”；否则，在
2 0秒内没有收到应答就输出“no answer（没有回答）”。

IP记录路由选项

p i n g程序为我们提供了查看 I P记录路由（R R）选项的机会。大多数不同版本的 p i n g程
序都提供- R选项，以提供记录路由的功能。它使得 p i n g程序在发送出去的I P数据报中设置I P
R R选项（该I P数据报包含I C M P回显请求报文）。这样，每个处理该数据报的路由器都把它的
I P地址放入选项字段中。当数据报到达目的端时， I P地址清单应该复制到 I C M P回显应答中，
这样返回途中所经过的路由器地址也被加入清单中。当 p i n g程序收到回显应答时，它就打印
出这份I P地址清单。

这个过程听起来简单，但存在一些缺陷。源端主机生成 R R选项，中间路由器对R R选项的
处理，以及把I C M P回显请求中的R R清单复制到I C M P回显应答中，所有这些都是选项功能。
幸运的是，现在的大多数系统都支持这些选项功能，只是有一些系统不把 I C M P请求中的I P清
单复制到I C M P应答中。

但是，最大的问题是 I P首部中只有有限的空间来存放 I P地址。我们从图3 - 1可以看到，I P
首部中的首部长度字段只有 4 bit，因此整个I P首部最长只能包括1 5个32 bit长的字（即6 0个字
节）。由于I P首部固定长度为 2 0字节，R R选项用去3个字节（下面我们再讨论），这样只剩下
3 7个字节（ 6 0- 2 0- 3）来存放 I P地址清单，也就是说只能存放 9个I P地址。对于早期的
A R PA N E T来说，9个I P地址似乎是很多了，但是现在看来是非常有限的（在第 8章中，我们将
用Tr a c e r o u t e工具来确定数据报的路由）。除了这些缺点，记录路由选项工作得很好，为详细
查看如何处理I P选项提供了一个机会。

I P数据报中的R R选项的一般格式如图7 - 3所示。

c o d e是一个字节，指明I P选项的类型。对于R R选项来说，它的值为7。l e n是R R选项总字
节长度，在这种情况下为 3 9（尽管可以为R R选项设置比最大长度小的长度，但是 p i n g程序
总是提供3 9字节的选项字段，最多可以记录 9个I P地址。由于I P首部中留给选项的空间有限，
它一般情况都设置成最大长度）。
p t r称作指针字段。它是一个基于 1的指针，指向存放下一个 I P地址的位置。它的最小值为
4，指向存放第一个 I P地址的位置。随着每个 I P地址存入清单，p t r的值分别为8，1 2，1 6，最
大到3 6。当记录下9个I P地址后，p t r的值为4 0，表示清单已满。

当路由器（根据定义应该是多穴的）在清单中记录 I P地址时，它应该记录哪个地址呢？
是入口地址还是出口地址？为此， RFC 791 [Postel 1981a]指定路由器记录出口 I P地址。我们
在后面将看到，当原始主机（运行 p i n g程序的主机）收到带有 R R选项的I C M P回显应答时，
它也要把它的入口I P地址放入清单中

IP时间戳选项

I P时间戳选项与记录路由选项类似。 I P时间戳选项的格式如图7 - 7所示（请与图7 - 3进行比
较）。

时间戳选项的代码为 0 x 4 4。其他两个字段 l e n和p t r与记录路由选项相同：选项的总长度
（一般为3 6或4 0）和指向下一个可用空间的指针（ 5，9，1 3等）。
接下来的两个字段是4 bit的值：O F表示溢出字段，F L表示标志字段。时间戳选项的操作
根据标志字段来进行，如图7 - 8所示

如果路由器由于没有空间而不能增加时间戳选项，那么它将增加溢出字段的值
时间戳的取值一般为自U T C午夜开始计的毫秒数，与 I C M P时间戳请求和应答相类似。如
果路由器不使用这种格式，它就可以插入任何它使用的时间表示格式，但是必须打开时间戳
中的高位以表明为非标准值

与我们遇到的记录路由选项所受到的限制相比，时间戳选项遇到情况要更坏一些。如果
我们要同时记录 I P地址和时间戳（标志位为 1），那么就可以同时存入其中的四对值。只记录
时间戳是没有用处的，因为我们没有标明时间戳与路由器之间的对应关系（除非有一个永远
不变的拓扑结构）。标志值取3会更好一些，因为我们可以插入时间戳的路由器。一个更为基
本的问题是，很可能无法控制任何给定路由器上时间戳的正确性。这使得试图用 I P选项来计
算路由器之间的跳站数是徒劳的。我们将看到（第 8章）t r a c e r o u t e程序可以提供一种更好
的方法来计算路由器之间的跳站数。

小结

p i n g程序是对两个T C P / I P系统连通性进行测试的基本工具。它只利用 I C M P回显请求和
回显应答报文，而不用经过传输层（ T C P / U D P）。P i n g服务器一般在内核中实现I C M P的功能。
我们分析了在 L A N、WA N以及S L I P链路（拨号和线路）上运行 p i n g程序的输出结果，
并对串行线路上的S L I P链路吞吐量进行了计算。我们还讨论并使用了 p i n g程序的I P记录路由
选项。利用该I P选项，可以看到它是如何频繁使用默认路由的。在第 9章我们将再次回到这个
讨论主题。另外，还讨论了IP 时间戳选项，但它在实际使用时有所限制。