內容簡介

traceroute是診斷網路問題時常用的工具。它可以定位從源主機到目標主機之間經過了哪些路由器，以及到達各個路由器的耗時。

本文首先介紹traceroute的基礎用法，然後深入淺出地介紹traceroute的實現原理。

traceoute用途

我們知道，兩台主機之間的通信，往往需要經過很多中間節點（如下圖所示）。

載入超時，點擊重試

當源主機A向目標主機B發送消息，發現消息無法送達。此時，可能是某個中間節點發生了問題，比如路由器02因負載過高產生了丟包。

此時，可以通過traceroute進行初步的檢測，定位網路包在是在哪個節點丟失的，之後才可以進行針對性的處理。

入門例子

假設想要知道，當我們訪問 iqiyi.com 時，經過了多少中間節點，那麼可以採用如下命令：

traceroute www.iqiyi.com

以下是輸出結果（osx下，為節省篇幅，省略部分輸出結果），後面會對輸出結果進行講解。

traceroute: Warning: www.iqiyi.com has multiple addresses; using 121.9.221.96
traceroute to static.dns.iqiyi.com (121.9.221.96), 64 hops max, 52 byte packets
1 xiaoqiang (192.168.31.1) 1.733 ms 1.156 ms 1.083 ms
2 192.168.1.1 (192.168.1.1) 2.456 ms 1.681 ms 1.429 ms
# ... 忽略部分輸出結果
9 121.9.221.96 (121.9.221.96) 6.607 ms 9.049 ms 6.706 ms

首先，域名 iqiyi.com 對應多個IP地址，這裡採用了其中一個IP地址 121.9.221.96，對應的主機名是 static.dns.iqiyi.com。

從當前主機，到目標主機，最多經過64跳（64 hops max），每次檢測發送的包大小為52位元組（52 byte packets）

traceroute: Warning: www.iqiyi.com has multiple addresses; using 121.9.221.96
traceroute to static.dns.iqiyi.com (121.9.221.96), 64 hops max, 52 byte packets

接下來的輸出比較有規律。每一行包含三部分：序號 + 主機 + 耗時。

行首是序號，表示這是經過的第N個中間節點。序號後面是節點的主機名+IP地址。最後是到達節點所耗費的時間。

1 xiaoqiang (192.168.31.1) 1.733 ms 1.156 ms 1.083 ms
2 192.168.1.1 (192.168.1.1) 2.456 ms 1.681 ms 1.429 ms

注意，每次檢測都同時發送3個數據包，因此列印出來三個時間。此外，如果某一個數據報超時沒有返回，則時間顯示為 *，此時需要特別注意，因為有可能出問題了。

以第1跳為例（家裡的路由器），主機名是 xiaoqiang，IP地址是 192.168.31.1，檢測數據包到達路由器的時間分別是 1.733 ms 1.156 ms 1.083 ms。

1 xiaoqiang (192.168.31.1) 1.733 ms 1.156 ms 1.083 ms

第2、3 ... N 跳類似，最後一跳為目標主機。

9 121.9.221.96 (121.9.221.96) 6.607 ms 9.049 ms 6.706 ms

實現原理簡析

主機之間通信，網路層IP數據報的首部中，有個TTL欄位(Time To Live)。TTL的作用是，設置IP數據報被丟棄前，最多能夠經過的節點數。

此外，每經過一個中間節點，再向下一個節點轉發數據前，都會將TTL減1。如果TTL不為0，則將數據報轉發到下一個節點；否則，丟棄數據報，並返回錯誤。

假設TTL設置為N，當前轉發到第M個節點：

  • 第1個節點：將TTL設置為N-1。如果TTL != 0，則將數據報傳遞給第2個節點；否則丟棄數據報，並向源主機報錯。
  • 第2個節點：將TTL設置為N-2。如果TTL != 0，則將數據報傳遞給第3個節點；否則丟棄數據報，並向源主機報錯。
  • 。。。
  • 第M個節點：將TTL設置為N-M。如果TTL != 0，則將數據報傳遞給第3個節點；否則丟棄數據報，並向源主機報錯。
  • 。。。

如果源主機收到出錯的回報，則知道數據報已經到達第M個節點。此時，記錄下第M個節點的IP，以及數據報往返的耗時。

到這裡，可以引出traceroute的實現原理（非嚴謹）：

從源主機向目標主機發送IP數據報，並按順序將TTL設置為從1開始遞增的數字（假設為N），導致第N個節點（中間節點 or 目標主機）丟棄數據報並返回出錯信息。源主機根據接收到的錯誤信息，確定到達目標主機路徑上的所有節點的IP，以及對應的耗時。

來個簡單的圖例。假設源主機A到目標主機B之間有2個中間節點，也就是說，A到B一共需要經過3跳。那麼，traceroute的檢測時序如下：

實現原理深入剖析

前面簡單闡述了traceroute的實現原理，下面進一步介紹實現細節。這裡主要回答3個問題：

  1. 問題一：傳輸層採用的是UDP，還是TCP？
  2. 問題二：當TTL為0時，接收節點會丟棄接數據報，並向源主機報錯。這裡的報錯信息是什麼？
  3. 問題三：假設到達目標主機一共有N跳，且TTL剛好設置為N，那麼，目標主機成功收到數據報，此時並沒有錯誤回報，traceroute如何確定已經到達目標主機？

問題一：UDP還是TCP

答案是UDP。為什麼呢？讀者同學可以想一下。

問題二：報錯信息是什麼

這裡的報錯信息是ICMP（Internet Control Message Protocol）報文，它用於在主機、路由之間傳遞控制信息。

上面的定義有點難理解。簡答的來講，就是兩台主機之間約定的暗號，用來告訴對方一些事情，比如「您訪問的主機不存在」之類的。

如下所示，ICMP數據報是封裝在IP數據報中進行傳遞的。（此時，IP數據報首部的協議欄位設置為1，表示當前傳遞的是ICMP報文。）

ICMP報文通用格式如下，主要關注Type、Code兩個欄位。

  • Type欄位：ICMP報文類型。比如超時錯誤（Time Exceeded Message）、目標主機不可達錯誤（Destination Unreachable Message）等。
  • Code欄位：子類型。比如，導致目標主機不可達錯誤的原因可能有多種，比如主機錯誤（code=1），埠錯誤（code=3）等。

IP數據報未到達目標主機，且TTL被置為0時，返回的就是超時錯誤（Time Exceeded Message），此時Type=11，code=0。

traceroute收到ICMP報文，發現Type=11，code=0，記錄下發送節點的IP和耗時。

問題三：報文是否到達目標主機

文章開頭的圖，假設TTL設置為大於3的數，此時IP數據報安全抵達目標主機B，並沒有發生超時錯誤。這種情況下，traceroute如何知道已經到達了目標主機？

先來回顧下UPD用戶數據報的首部（非完整），它包含了源埠、目標埠。

traceroute發送UDP報文時，將目標埠設置為較大的值（ 33434 - 33464），避免目標主機B上該埠有在實際使用。

當報文到達目標主機B，目標主機B發現目標埠不存在，則向源主機A發送ICMP報文（Type=3，Code=3），表示目標埠不可達。

源主機A收到差錯報文，發現Type=3，Code=3，知道已經到達目標主機B。記錄下IP、耗費，檢測結束。

寫在後面

traceroute是比較實用的網路工具，排查錯誤時經常用到，掌握它的用法、實現原理很有必要。

建議讀者朋友實際動手嘗試下，同時採用wireshark抓下包分析下，加深對實現原理的理解。

為便於講解，部分內容可能不夠嚴謹，如有錯誤敬請指出。

參考鏈接

RFC792

tools.ietf.org/html/rfc

What UDP ports to open for UDP traceroute?

learningnetwork.cisco.com

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