每當(dāng)我們?cè)谡{(diào)試網(wǎng)絡(luò)遇到網(wǎng)絡(luò)不通的情況時(shí)，大家都知道去 ping 一下，看一下網(wǎng)絡(luò)狀況。
但你知道「ping」命令后背的邏輯是什么嗎？知道它是如何實(shí)現(xiàn)的嗎？

下面就讓我來(lái)給大家細(xì)細(xì)講解。

一、「ping」命令的作用和原理？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，「ping」是用來(lái)探測(cè)本機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中另一主機(jī)之間是否可達(dá)的命令，如果兩臺(tái)主機(jī)之間ping不通，則表明這兩臺(tái)主機(jī)不能建立起連接。ping是定位網(wǎng)絡(luò)通不通的一個(gè)重要手段。

ping 命令是基于 ICMP 協(xié)議來(lái)工作的，「 ICMP 」全稱為 Internet 控制報(bào)文協(xié)議（ Internet Control Message Protocol）。ping 命令會(huì)發(fā)送一份ICMP回顯請(qǐng)求報(bào)文給目標(biāo)主機(jī)，并等待目標(biāo)主機(jī)返回ICMP回顯應(yīng)答。因?yàn)镮CMP協(xié)議會(huì)要求目標(biāo)主機(jī)在收到消息之后，必須返回ICMP應(yīng)答消息給源主機(jī)，如果源主機(jī)在一定時(shí)間內(nèi)收到了目標(biāo)主機(jī)的應(yīng)答，則表明兩臺(tái)主機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)是可達(dá)的。

舉一個(gè)例子來(lái)描述「ping」命令的工作過(guò)程：

1. 假設(shè)有兩個(gè)主機(jī)，主機(jī)A（192.168.0.1）和主機(jī)B（192.168.0.2），現(xiàn)在我們要監(jiān)測(cè)主機(jī)A和主機(jī)B之間網(wǎng)絡(luò)是否可達(dá)，那么我們?cè)谥鳈C(jī)A上輸入命令：ping 192.168.0.2

2. 此時(shí)，ping命令會(huì)在主機(jī)A上構(gòu)建一個(gè) ICMP的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包里的內(nèi)容后面再詳述），然后 ICMP協(xié)議會(huì)將這個(gè)數(shù)據(jù)包以及目標(biāo)IP（192.168.0.2）等信息一同交給IP層協(xié)議。

3. IP層協(xié)議得到這些信息后，將源地址（即本機(jī)IP）、目標(biāo)地址（即目標(biāo)IP：192.168.0.2）、再加上一些其它的控制信息，構(gòu)建成一個(gè)IP數(shù)據(jù)包。

4. IP數(shù)據(jù)包構(gòu)建完成后，還不夠，還需要加上MAC地址，因此，還需要通過(guò)ARP映射表找出目標(biāo)IP所對(duì)應(yīng)的MAC地址。當(dāng)拿到了目標(biāo)主機(jī)的MAC地址和本機(jī)MAC后，一并交給數(shù)據(jù)鏈路層，組裝成一個(gè)數(shù)據(jù)幀，依據(jù)以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問(wèn)規(guī)則，將它們傳送出出去。

5. 當(dāng)主機(jī)B收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀之后，會(huì)首先檢查它的目標(biāo)MAC地址是不是本機(jī)，如果是就接收下來(lái)處理，接收之后會(huì)檢查這個(gè)數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀中的IP數(shù)據(jù)包取出來(lái)，交給本機(jī)的IP層協(xié)議，然后IP層協(xié)議檢查完之后，再將ICMP數(shù)據(jù)包取出來(lái)交給ICMP協(xié)議處理，當(dāng)這一步也處理完成之后，就會(huì)構(gòu)建一個(gè)ICMP應(yīng)答數(shù)據(jù)包，回發(fā)給主機(jī)A

6. 在一定的時(shí)間內(nèi)，如果主機(jī)A收到了應(yīng)答包，則說(shuō)明它與主機(jī)B之間網(wǎng)絡(luò)可達(dá)，如果沒(méi)有收到，則說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)。除了監(jiān)測(cè)是否可達(dá)以外，還可以利用應(yīng)答時(shí)間和發(fā)起時(shí)間之間的差值，計(jì)算出數(shù)據(jù)包的延遲耗時(shí)。

通過(guò)ping的流程可以發(fā)現(xiàn)，ICMP協(xié)議是這個(gè)過(guò)程的基礎(chǔ)，是非常重要的，因此下面就把ICMP協(xié)議再詳細(xì)解釋一下。

二、什么是「 ICMP 」？

我們知道，ping命令是基于ICMP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)的。那么我們?cè)賮?lái)看下圖，就明白了ICMP協(xié)議又是通過(guò)IP協(xié)議來(lái)發(fā)送的，即ICMP報(bào)文是封裝在IP包中。

IP協(xié)議是一種無(wú)連接的，不可靠的數(shù)據(jù)包協(xié)議，它并不能保證數(shù)據(jù)一定被送達(dá)，那么我們要保證數(shù)據(jù)送到就需要通過(guò)其它模塊來(lái)協(xié)助實(shí)現(xiàn)，這里就引入的是ICMP協(xié)議。

當(dāng)傳送的IP數(shù)據(jù)包發(fā)送異常的時(shí)候，ICMP就會(huì)將異常信息封裝在包內(nèi)，然后回傳給源主機(jī)。

將上圖再細(xì)拆一下可見(jiàn)：

繼續(xù)將ICMP協(xié)議模塊細(xì)拆:

由圖可知，ICMP數(shù)據(jù)包由8bit的類型字段和8bit的代碼字段以及16bit的校驗(yàn)字段再加上選項(xiàng)數(shù)據(jù)組成。

ICMP協(xié)議大致可分為兩類：

• 查詢報(bào)文類型

• 差錯(cuò)報(bào)文類型

1. 查詢報(bào)文類型：

查詢報(bào)文主要應(yīng)用于：ping查詢、子網(wǎng)掩碼查詢、時(shí)間戳查詢等等。

上面講到的ping命令的流程其實(shí)就對(duì)應(yīng)ICMP協(xié)議查詢報(bào)文類型的一種使用。在主機(jī)A構(gòu)建ICMP請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的時(shí)候，其ICMP的類型字段中使用的是 8 （回送請(qǐng)求），當(dāng)主機(jī)B構(gòu)建ICMP應(yīng)答包的時(shí)候，其ICMP類型字段就使用的是 0 （回送應(yīng)答），更多類型值參考上表。

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

1. 差錯(cuò)報(bào)文類型：

差錯(cuò)報(bào)文主要產(chǎn)生于當(dāng)數(shù)據(jù)傳送發(fā)送錯(cuò)誤的時(shí)候。
它包括：目標(biāo)不可達(dá)（網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)、主機(jī)不可達(dá)、協(xié)議不可達(dá)、端口不可達(dá)、禁止分片等）、超時(shí)、參數(shù)問(wèn)題、重定向（網(wǎng)絡(luò)重定向、主機(jī)重定向等）等等。

差錯(cuò)報(bào)文通常包含了引起錯(cuò)誤的IP數(shù)據(jù)包的第一個(gè)分片的IP首部，加上該分片數(shù)據(jù)部分的前8個(gè)字節(jié)。
當(dāng)傳送IP數(shù)據(jù)包發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候（例如 主機(jī)不可達(dá)），ICMP協(xié)議就會(huì)把錯(cuò)誤信息封包，然后傳送回源主機(jī)，那么源主機(jī)就知道該怎么處理了。

那是不是只有遇到錯(cuò)誤的時(shí)候才能使用 差錯(cuò)報(bào)文類型 呢？也不一定。

Traceroute 就是一個(gè)例外，Traceroute是用來(lái)偵測(cè)源主機(jī)到目標(biāo)主機(jī)之間所經(jīng)過(guò)路由情況的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的規(guī)則，制造一些錯(cuò)誤的事件出來(lái)，然后根據(jù)錯(cuò)誤的事件來(lái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)路由情況。

具體做法就是：

Traceroute會(huì)設(shè)置特殊的TTL值，來(lái)追蹤源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)之間的路由數(shù)。首先它給目標(biāo)主機(jī)發(fā)送一個(gè) TTL=1 的UDP數(shù)據(jù)包，那么這個(gè)數(shù)據(jù)包一旦在路上遇到一個(gè)路由器，TTL就變成了0（TTL規(guī)則是每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器都會(huì)減1），因?yàn)門(mén)TL=0了，所以路由器就會(huì)把這個(gè)數(shù)據(jù)包丟掉，然后產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤類型（超時(shí)）的ICMP數(shù)據(jù)包回發(fā)給源主機(jī)，也就是差錯(cuò)包。這個(gè)時(shí)候源主機(jī)就拿到了第一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的IP和相關(guān)信息了。

接著，源主機(jī)再給目標(biāo)主機(jī)發(fā)一個(gè) TTL=2 的UDP數(shù)據(jù)包，依舊上述流程走一遍，就知道第二個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的IP和耗時(shí)情況等信息了。

如此反復(fù)進(jìn)行，Traceroute就可以拿到從主機(jī)A到主機(jī)B之間所有路由器的信息了。

但是有個(gè)問(wèn)題是，如果數(shù)據(jù)包到達(dá)了目標(biāo)主機(jī)的話，即使目標(biāo)主機(jī)接收到TTL值為1的IP數(shù)據(jù)包，它也是不會(huì)丟棄該數(shù)據(jù)包的，也不會(huì)產(chǎn)生一份超時(shí)的ICMP回發(fā)數(shù)據(jù)包的，因?yàn)閿?shù)據(jù)包已經(jīng)達(dá)到了目的地嘛。那我們應(yīng)該怎么認(rèn)定數(shù)據(jù)包是否達(dá)到了目標(biāo)主機(jī)呢？

Traceroute的方法是在源主機(jī)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包給目標(biāo)主機(jī)的時(shí)候，會(huì)設(shè)置一個(gè)不可能達(dá)到的目標(biāo)端口號(hào)（例如大于30000的端口號(hào)），那么當(dāng)這個(gè)數(shù)據(jù)包真的到達(dá)目標(biāo)主機(jī)的時(shí)候，目標(biāo)主機(jī)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，因此會(huì)產(chǎn)生一份“端口不可達(dá)”的錯(cuò)誤ICMP報(bào)文返回給源主機(jī)。

可見(jiàn)Traceroute的原理確實(shí)很取巧，很有趣。