当你「ping 一下」的时候，你知道它背后的逻辑吗？

Posted 2021-01-06 qfdsj

　　

 

　　我们在遇到网络不通的情况，大家都知道去 ping 一下，看一下网络状况。

　　那你知道「ping」命令后背的逻辑是什么吗?知道它是如何实现的吗?

　　简单来说，「ping」是用来探测本机与网络中另一主机之间是否可达的命令，如果两台主机之间ping不通，则表明这两台主机不能建立起连接。ping是定位网络通不通的一个重要手段。

　　ping命令是基于 ICMP 协议来工作的，「ICMP 」全称为 Internet 控制报文协议(Internet Control Message Protocol)。ping 命令会发送一份ICMP回显请求报文给目标主机，并等待目标主机返回ICMP回显应答。因为ICMP协议会要求目标主机在收到消息之后，必须返回ICMP应答消息给源主机，如果源主机在一定时间内收到了目标主机的应答，则表明两台主机之间网络是可达的。

　　举一个例子来描述「ping」命令的工作过程：

　　1.假设有两个主机，主机A(192.168.0.1)和主机B(192.168.0.2)，现在我们要监测主机A和主机B之间网络是否可达，那么我们在主机A上输入命令：ping 192.168.0.2

　　2.此时，ping命令会在主机A上构建一个 ICMP的请求数据包(数据包里的内容后面再详述)，然后 ICMP协议会将这个数据包以及目标IP(192.168.0.2)等信息一同交给IP层协议。

　　3.IP层协议得到这些信息后，将源地址(即本机IP)、目标地址(即目标IP：192.168.0.2)、再加上一些其它的控制信息，构建成一个IP数据包。

　　4.IP数据包构建完成后，还不够，还需要加上MAC地址，因此，还需要通过ARP映射表找出目标IP所对应的MAC地址。当拿到了目标主机的MAC地址和本机MAC后，一并交给数据链路层，组装成一个数据帧，依据以太网的介质访问规则，将它们传送出出去。

　　5.当主机B收到这个数据帧之后，会首先检查它的目标MAC地址是不是本机，如果是就接收下来处理，接收之后会检查这个数据帧，将数据帧中的IP数据包取出来，交给本机的IP层协议，然后IP层协议检查完之后，再将ICMP数据包取出来交给ICMP协议处理，当这一步也处理完成之后，就会构建一个ICMP应答数据包，回发给主机A

　　6.在一定的时间内，如果主机A收到了应答包，则说明它与主机B之间网络可达，如果没有收到，则说明网络不可达。除了监测是否可达以外，还可以利用应答时间和发起时间之间的差值，计算出数据包的延迟耗时。

　　通过ping的流程可以发现，ICMP协议是这个过程的基础，是非常重要的，因此下面就把ICMP协议再详细解释一下。

　　我们知道，ping命令是基于ICMP协议来实现的。那么我们再来看下图，就明白了ICMP协议又是通过IP协议来发送的，即ICMP报文是封装在IP包中。

　　

 

　　IP协议是一种无连接的，不可靠的数据包协议，它并不能保证数据一定被送达，那么我们要保证数据送到就需要通过其它模块来协助实现，这里就引入的是ICMP协议。

　　当传送的IP数据包发送异常的时候，ICMP就会将异常信息封装在包内，然后回传给源主机。

　　将上图再细拆一下可见：

　　

 

　　继续将ICMP协议模块细拆:

　　

 

　　由图可知，ICMP数据包由8bit的类型字段和8bit的代码字段以及16bit的校验字段再加上选项数据组成。

　　ICMP协议大致可分为两类：

　　·查询报文类型

　　·差错报文类型

　　

 

　　1.查询报文类型：

　　查询报文主要应用于：ping查询、子网掩码查询、时间戳查询等等。

　　上面讲到的ping命令的流程其实就对应ICMP协议查询报文类型的一种使用。在主机A构建ICMP请求数据包的时候，其ICMP的类型字段中使用的是 8 (回送请求)，当主机B构建ICMP应答包的时候，其ICMP类型字段就使用的是 0 (回送应答)，更多类型值参考上表。

　　对 查询报文类型 的理解可参考一下文章最开始讲的ping流程，这里就不做赘述。

　　1.差错报文类型：

　　差错报文主要产生于当数据传送发送错误的时候。

　　它包括：目标不可达(网络不可达、主机不可达、协议不可达、端口不可达、禁止分片等)、超时、参数问题、重定向(网络重定向、主机重定向等)等等。

　　差错报文通常包含了引起错误的IP数据包的第一个分片的IP首部，加上该分片数据部分的前8个字节。

　　当传送IP数据包发生错误的时候(例如 主机不可达)，ICMP协议就会把错误信息封包，然后传送回源主机，那么源主机就知道该怎么处理了。

　　那是不是只有遇到错误的时候才能使用 差错报文类型 呢?也不一定。

　　Traceroute就是一个例外，Traceroute是用来侦测源主机到目标主机之间所经过路由情况的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的规则，制造一些错误的事件出来，然后根据错误的事件来评估网络路由情况。

　　具体做法就是：

　　Traceroute会设置特殊的TTL值，来追踪源主机和目标主机之间的路由数。首先它给目标主机发送一个 TTL=1 的UDP数据包，那么这个数据包一旦在路上遇到一个路由器，TTL就变成了0(TTL规则是每经过一个路由器都会减1)，因为TTL=0了，所以路由器就会把这个数据包丢掉，然后产生一个错误类型(超时)的ICMP数据包回发给源主机，也就是差错包。这个时候源主机就拿到了第一个路由节点的IP和相关信息了。

　　接着，源主机再给目标主机发一个 TTL=2 的UDP数据包，依旧上述流程走一遍，就知道第二个路由节点的IP和耗时情况等信息了。

　　如此反复进行，Traceroute就可以拿到从主机A到主机B之间所有路由器的信息了。

　　但是有个问题是，如果数据包到达了目标主机的话，即使目标主机接收到TTL值为1的IP数据包，它也是不会丢弃该数据包的，也不会产生一份超时的ICMP回发数据包的，因为数据包已经达到了目的地嘛。那我们应该怎么认定数据包是否达到了目标主机呢?

　　Traceroute的方法是在源主机发送UDP数据包给目标主机的时候，会设置一个不可能达到的目标端口号(例如大于30000的端口号)，那么当这个数据包真的到达目标主机的时候，目标主机发现没有对应的端口号，因此会产生一份“端口不可达”的错误ICMP报文返回给源主机。

　　可见Traceroute的原理确实很取巧，很有趣。

　　以上，就是对ping的基本原理以及ICMP协议的基本讲解了，欢迎大家一起交流。

　　

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