當你「ping 一下」的時候,你知道它背后的邏輯嗎?

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作者:王奎,個人公號:不止思考

我們在遇到網絡不通的情況,大家都知道去 ping 一下,看一下網絡狀況。

那你知道「ping」命令后背的邏輯是什么嗎?知道它是如何實現的嗎?

一、「ping」命令的作用和原理?

簡單來說,「ping」是用來探測本機與網絡中另一主機之間是否可達的命令,如果兩臺主機之間ping不通,則表明這兩臺主機不能建立起連接。ping是定位網絡通不通的一個重要手段。

ping 命令是基于 ICMP 協議來工作的,「 ICMP 」全稱為 Internet 控制報文協議( Internet Control Message Protocol)。ping 命令會發送一份ICMP回顯請求報文給目標主機,并等待目標主機返回ICMP回顯應答。因為ICMP協議會要求目標主機在收到消息之后,必須返回ICMP應答消息給源主機,如果源主機在一定時間內收到了目標主機的應答,則表明兩臺主機之間網絡是可達的。

舉一個例子來描述「ping」命令的工作過程:

  1. 假設有兩個主機,主機A(192.168.0.1)和主機B(192.168.0.2),現在我們要監測主機A和主機B之間網絡是否可達,那么我們在主機A上輸入命令:ping 192.168.0.2
  2. 此時,ping命令會在主機A上構建一個 ICMP的請求數據包(數據包里的內容后面再詳述),然后 ICMP協議會將這個數據包以及目標IP(192.168.0.2)等信息一同交給IP層協議。
  3. IP層協議得到這些信息后,將源地址(即本機IP)、目標地址(即目標IP:192.168.0.2)、再加上一些其它的控制信息,構建成一個IP數據包。
  4. IP數據包構建完成后,還不夠,還需要加上MAC地址,因此,還需要通過ARP映射表找出目標IP所對應的MAC地址。當拿到了目標主機的MAC地址和本機MAC后,一并交給數據鏈路層,組裝成一個數據幀,依據以太網的介質訪問規則,將它們傳送出出去。
  5. 當主機B收到這個數據幀之后,會首先檢查它的目標MAC地址是不是本機,如果是就接收下來處理,接收之后會檢查這個數據幀,將數據幀中的IP數據包取出來,交給本機的IP層協議,然后IP層協議檢查完之后,再將ICMP數據包取出來交給ICMP協議處理,當這一步也處理完成之后,就會構建一個ICMP應答數據包,回發給主機A
  6. 在一定的時間內,如果主機A收到了應答包,則說明它與主機B之間網絡可達,如果沒有收到,則說明網絡不可達。除了監測是否可達以外,還可以利用應答時間和發起時間之間的差值,計算出數據包的延遲耗時。

通過ping的流程可以發現,ICMP協議是這個過程的基礎,是非常重要的,因此下面就把ICMP協議再詳細解釋一下。

二、什么是「 ICMP 」?

我們知道,ping命令是基于ICMP協議來實現的。那么我們再來看下圖,就明白了ICMP協議又是通過IP協議來發送的,即ICMP報文是封裝在IP包中。

IP協議是一種無連接的,不可靠的數據包協議,它并不能保證數據一定被送達,那么我們要保證數據送到就需要通過其它模塊來協助實現,這里就引入的是ICMP協議。

當傳送的IP數據包發送異常的時候,ICMP就會將異常信息封裝在包內,然后回傳給源主機。

將上圖再細拆一下可見:

繼續將ICMP協議模塊細拆:

由圖可知,ICMP數據包由8bit的類型字段和8bit的代碼字段以及16bit的校驗字段再加上選項數據組成。

ICMP協議大致可分為兩類:

  • 查詢報文類型
  • 差錯報文類型

  1. 查詢報文類型:

查詢報文主要應用于:ping查詢、子網掩碼查詢、時間戳查詢等等。

上面講到的ping命令的流程其實就對應ICMP協議查詢報文類型的一種使用。在主機A構建ICMP請求數據包的時候,其ICMP的類型字段中使用的是 8 (回送請求),當主機B構建ICMP應答包的時候,其ICMP類型字段就使用的是 0 (回送應答),更多類型值參考上表。

對 查詢報文類型 的理解可參考一下文章最開始講的ping流程,這里就不做贅述。

  1. 差錯報文類型:

差錯報文主要產生于當數據傳送發送錯誤的時候。

它包括:目標不可達(網絡不可達、主機不可達、協議不可達、端口不可達、禁止分片等)、超時、參數問題、重定向(網絡重定向、主機重定向等)等等。

差錯報文通常包含了引起錯誤的IP數據包的第一個分片的IP首部,加上該分片數據部分的前8個字節。

當傳送IP數據包發生錯誤的時候(例如 主機不可達),ICMP協議就會把錯誤信息封包,然后傳送回源主機,那么源主機就知道該怎么處理了。

那是不是只有遇到錯誤的時候才能使用 差錯報文類型 呢?也不一定。

Traceroute 就是一個例外,Traceroute是用來偵測源主機到目標主機之間所經過路由情況的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的規則,制造一些錯誤的事件出來,然后根據錯誤的事件來評估網絡路由情況。

具體做法就是:

Traceroute會設置特殊的TTL值,來追蹤源主機和目標主機之間的路由數。首先它給目標主機發送一個 TTL=1 的UDP數據包,那么這個數據包一旦在路上遇到一個路由器,TTL就變成了0(TTL規則是每經過一個路由器都會減1),因為TTL=0了,所以路由器就會把這個數據包丟掉,然后產生一個錯誤類型(超時)的ICMP數據包回發給源主機,也就是差錯包。這個時候源主機就拿到了第一個路由節點的IP和相關信息了。

接著,源主機再給目標主機發一個 TTL=2 的UDP數據包,依舊上述流程走一遍,就知道第二個路由節點的IP和耗時情況等信息了。

如此反復進行,Traceroute就可以拿到從主機A到主機B之間所有路由器的信息了。

但是有個問題是,如果數據包到達了目標主機的話,即使目標主機接收到TTL值為1的IP數據包,它也是不會丟棄該數據包的,也不會產生一份超時的ICMP回發數據包的,因為數據包已經達到了目的地嘛。那我們應該怎么認定數據包是否達到了目標主機呢?

Traceroute的方法是在源主機發送UDP數據包給目標主機的時候,會設置一個不可能達到的目標端口號(例如大于30000的端口號),那么當這個數據包真的到達目標主機的時候,目標主機發現沒有對應的端口號,因此會產生一份“端口不可達”的錯誤ICMP報文返回給源主機。

可見Traceroute的原理確實很取巧,很有趣。

以上,就是對ping的基本原理以及ICMP協議的基本講解了,歡迎大家一起交流。

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  1. kk說道:

    ICMP和UDP有什么關系?

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