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聊聊ICMP协议及ping过程

2023-05-16
  • 在当我们判断网络是否连通时，使用最多的命令是ping，traceroute，其是基于ICMP协议实现，那么ICMP协议是什么？

ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protoco）协议是TCP/IP协议栈中的网络层的一个协议，ICMP是Internet控制报文协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。（控制消息是指：网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息）这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。

ICMP实际上是IP的一个组成部分，必须由每个IP模块实现。ICMP报文通常被IP层或更高层协议（TCP或UDP）使用。一些ICMP报文把差错报文返回给用户进程。

ICMP是TCP/IP模型中网络层的重要成员，与IP协议、ARP协议、RARP协议及IGMP协议共同构成了TCP/IP模型中的网络层。

ping和tracert是两个常用网络管理命令：

  • ping用来测试网络可达性。
  • tracert用来显示到达目的主机的路径。

ping和tracert都利用ICMP协议来实现网络功能，它们是把网络协议应用到日常网络管理。

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来区分不同的数据包。

ICMP报文格式

ICMP报文包含在IP数据报中，属于IP的一个用户，IP头部就在ICMP报文的前面，所以一个ICMP报文包括IP头部、ICMP头部和ICMP报文。

类型：标明ICMP报文的作用和格式，4位。

代码：表明报文的类型，4位。

校验和：检验报文是否有误，8位。

ICMP报文类型

ICMP协议主要通过Type和Code的组合来标明报文的类型。

（1）请求响应

一台主机向一个节点发送一个Type=8的ICMP报文，如果途中没有异常（例如被路由器丢弃、目标不回应ICMP或是传输失败），则接收方就会返回一个Type=0的ICMP报文。

(2)目标（网络、主机、协议）不可到达、源抑制和超时报文

  • 目标不可达中这几种情况的报文类型都是一样的，接收方返回一个Type=3，Code=3的报文，就是端口不可达，即访问了一个不存在的端口。
  • 源抑制充当一个控制流量的角色，其通知主机减少数据报流量，由于ICMP没有恢复传输的报文，所以只要停止该报文，主机就会逐渐恢复传输速率。
  • 超时报文：无连接方式网络问题（数据报会丢失）、长时间在网络游荡而找不到目标、拥塞导致主机在规定时间内无法重组数据报分段，以上就会触发ICMP超时报文的产生。在超时报文中的代码域有两种取值：Code=0：传输超时；Code=1:重组分段超时。

ping过程

在Linux中ping命令用于检测主机，执行ping指令会使用ICMP传输协议，发出要求回应的信息，若远端主机的网络功能没有问题，就会回应该消息，因而得知该主机运行正常。

ping是利用ICMP报文检测网络连接。

ICMP ping就是向目标主机发送ICMP信息报文，目标主机回应ICMP信息报文或差错报文，ping程序根据这些收到的ICMP报文以知道目标主机的可达性。

那么当在同一网段内与跨网段的ping的这两种情况是怎样的？

假设主机A的IP为：1.1.1.1
主机B的IP为：1.1.1.3

同一网段内

若主机A要去ping主机B，那么主机A就要封装二层报文，它先会先查看自己MAC地址表，若其中没有B的MAC地址，其就会向外发送一个ARP广播包：

以太网目的MAC源MACOP发送端以太网MAC发送端IP地址目的MAC目的IP
AA-AA-AA-AA-AA-AA00-50-56-C0-00-011.1.1.100-00-00-00-00-001.1.1.3

交换机会收到这个报文，其中交换机有学习MAC地址的功能，所以交换机会检索自己有无保存主机B有MAC，若有，就返回给主机A，若没有，就会向所有端口发送ARP广播，其它主机接收到后，发现所发送的ARP广播中不是找自己的，就会丢弃该报文。直到主机B收到该报文后，主机B会立即响应，以主机A所发送的ARP报文格式返回给主机A。

以太网目的MAC源MACOP发送端以太网MAC发送端IP地址目的MAC目的IP
00-50-56-C0-00-0100-50-56-C0-00-031.1.1.300-50-56-C0-00-011.1.1.1

这时我们可见主机A已经学习到了主机B的MAC，并将其封装到ICMP协议的二层报文中向主机B发送。

报文格式：

目的地址源地址...源 IP目的IP
00-50-56-C0-00-0300-50-56-C0-00-011.1.1.11.1.1.3Echo request

当主机B接收到这个报文后，按同样的格式将返回一个值给主机A

目的地址源地址...源 IP目的IP
00-50-56-C0-00-0100-50-56-C0-00-031.1.1.31.1.1.1Echo answer

这就是同一网段内ping的过程

不同网段ping过程

假设有两个主机A和B，主机A要ping主机B，但是发现主机A和主机B的IP不在同一网段，如同上文所说的同一网段内ping步骤一样，先发送一个ARP广播，让其学到网关的MAC，再封装ICMP报文给网关路由器。

目的地址源地址...源 IP目的IP
00-50-56-C0-00-0200-50-56-C0-00-011.1.1.12.1.1.3Echo request

当路由器接收到主机A发送的ICMP报文后，发现主机A本身的目的地址是其本身的MAC地址，根据目的IP1.1.1.3的路由表项，得到一个出口指针，去掉之前的MAC头部后使用自己的MAC地址向主机B发送。

目的地址源地址...源 IP目的IP
00-50-56-C0-00-0100-50-56-C0-00-022.1.1.31.1.1.1Echo answer

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