當你「ping 一下」的時候，你知道它背後的邏輯嗎？

來自專欄不止思考

我們在遇到網路不通的情況，大家都知道去 ping 一下，看一下網路狀況。

那你知道「ping」命令後背的邏輯是什麼嗎？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路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是定位網路通不通的一個重要手段。

ping 命令是基於 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，並等待目標主機返回ICMP回顯應答。因為ICMP協議會要求目標主機在收到消息之後，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路是可達的。

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之間網路是否可達，那麼我們在主機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（數據包裏的內容後面再詳述），然後 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後，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數據包構建完成後，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後，一併交給數據鏈路層，組裝成一個數據幀，依據乙太網的介質訪問規則，將它們傳送出出去。
  5. 當主機B收到這個數據幀之後，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，接收之後會檢查這個數據幀，將數據幀中的IP數據包取出來，交給本機的IP層協議，然後IP層協議檢查完之後，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後，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之間網路可達，如果沒有收到，則說明網路不可達。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、什麼是「 ICMP 」？

我們知道，ping命令是基於ICMP協議來實現的。那麼我們再來看下圖，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，它並不能保證數據一定被送達，那麼我們要保證數據送到就需要通過其它模塊來協助實現，這裡就引入的是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，然後回傳給源主機。

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的類型欄位和8bit的代碼欄位以及16bit的校驗欄位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：

查詢報文主要應用於：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的類型欄位中使用的是 8 （回送請求），當主機B構建ICMP應答包的時候，其ICMP類型欄位就使用的是 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，這裡就不做贅述。

  1. 差錯報文類型：

差錯報文主要產生於當數據傳送發送錯誤的時候。

它包括：目標不可達（網路不可達、主機不可達、協議不可達、埠不可達、禁止分片等）、超時、參數問題、重定向（網路重定向、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個位元組。

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，然後傳送回源主機，那麼源主機就知道該怎麼處理了。

那是不是隻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，製造一些錯誤的事件出來，然後根據錯誤的事件來評估網路路由情況。

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，那麼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，然後產生一個錯誤類型（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。

如此反覆進行，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。那我們應該怎麼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埠號（例如大於30000的埠號），那麼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埠號，因此會產生一份「埠不可達」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。

本文原創發佈於微信公眾號「 不止思考 」，歡迎關注，交流Java、Web、架構、大數據、職業發展、技術管理。

推薦閱讀：

相關文章