ping协议（ICMP）的原理

ping的工作原理

ping是基于ICMP（Internet Control Message Protocol）协议工作的，首先熟悉一下ICMP协议
互联网控制报文协议
ICMP功能：确认IP包是否成功送达目标地址，报告发送过程中IP包被废弃的原因和改善网络设置等。

ICMP 的这种通知消息会使用 IP 进行发送 。
ICMP报文是封装在IP包里的，工作在网路层，是IP协议的助手。

ICMP 包头的类型字段，大致可以分为两大类：

• 一类是用于诊断的查询消息，也就是「查询报文类型」
• 另一类是通知出错原因的错误消息，也就是「差错报文类型」
  

查询报文类型

回送消息用于进行通信的主机或路由器之间，判断所发送的数据包是否已经成功到达对端的一种消息，ping命令就是利用这个消息实现的。
可以向对端主机发送回送请求的消息（8），也可以接收对端主机发送回来的回送应答（0）。

相比于原生ICMP，这里多两个字段：

• 标识符：用以区分是哪个应用程序发ICMP包，比如用进程PID作为标识符；
• 序号：序列号从0开始，每发送一次新的回送请求就会加1，用来确认网络包是否丢失；
  选项数据中，ping还会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程长短。

差错报文类型

目标不可达消息 —— 类型 为 3
原点抑制消息 —— 类型 4
重定向消息 —— 类型 5
超时消息 —— 类型 11

目标不可达消息

网络不可达 0 ：IP地址是分为网络号和主机号的，所以当路由器中的路由器表匹配不到接收方IP的网络号
主机不可达 1 ：路由器表中没有该主机的信息或主机没有连接到网络
协议不可达 2：主机使用TCP协议访问对端主机时，能找到对端的主机了，但是对端主机防火墙禁止TCP协议访问，会通过ICMP协议以协议不可达的原因告知主机
端口不可达 3：对端主机没有进程监听8080端口

重定向消息

路由器发送端主机使用不是最优的路径发送数据，那么它会返回一个ICMP重定向消息给这个主机，在这个消息中包含了最合适的路由消息和源数据。

超时消息

IP包中有一个字段叫做TTL（生存周期），它的值随着每经过一次路由器就会减1，直到减到0时该IP包会被丢弃。设置 IP 包生存周期的主要目的，是为了在路由控制遇到问题发生循环状况时，避免 IP 包无休止地在网络上被转发。

查询报文类型的使用

同个子网下的主机 A 和 主机 B，主机 A 执行ping 主机 B 后，我们来看看其间发送了什么？

ping命令执行的时候，源主机首先会构建一个ICMP回送请求消息数据包。
ICNO数据包内包含多个字段，最重要的两个是：

• 类型 8
• 序号 用来区分连续ping的时候发出的多个数据包 每发送一个请求数据包序号就会自动加1
  
  然后，由 ICMP 协议将这个数据包连同地址 192.168.1.2 一起交给 IP 层。IP 层将以 192.168.1.2 作为目的地址，本机 IP 地址作为源地址，协议字段设置为 1 表示是 ICMP 协议，再加上一些其他控制信息，构建一个 IP 数据包。
  
  接下来，需要加入 MAC 头。如果在本地 ARP 映射表中查找出 IP 地址 192.168.1.2 所对应的 MAC 地址，则可以直接使用；如果没有，则需要发送 ARP 协议查询 MAC 地址，获得 MAC 地址后，由数据链路层构建一个数据帧，目的地址是 IP 层传过来的 MAC 地址，源地址则是本机的 MAC 地址；还要附加上一些控制信息，依据以太网的介质访问规则，将它们传送出去。
  

主机 B 收到这个数据帧后，先检查它的目的 MAC 地址，并和本机的 MAC 地址对比，如符合，则接收，否则就丢弃。
接收后检查该数据帧，将 IP 数据包从帧中提取出来，交给本机的 IP 层。同样，IP 层检查后，将有用的信息提取后交给 ICMP 协议。
主机 B 会构建一个 ICMP 回送响应消息数据包，回送响应数据包的类型字段为 0，序号为接收到的请求数据包中的序号，然后再发送出去给主机 A。
在规定的时候间内，源主机如果没有接到 ICMP 的应答包，则说明目标主机不可达；如果接收到了 ICMP 回送响应消息，则说明目标主机可达。

此时，源主机会检查，用当前时刻减去该数据包最初从源主机上发出的时刻，就是 ICMP 数据包的时间延迟。

整个流程

可以看出 ping 这个程序是使用了 ICMP 里面的 ECHO REQUEST（类型为 8 ） 和 ECHO REPLY （类型为 0）。

差错报文类型的使用

traceroute 192.168.1.100
traceroute 的第一个作用就是故意设置特殊的 TTL，来追踪去往目的地时沿途经过的路由器。
原理：利用 IP 包的生存期限 从 1 开始按照顺序递增的同时发送 UDP 包，强制接收 ICMP 超时消息的一种方法。
比如，将 TTL 设置 为 1，则遇到第一个路由器，就牺牲了，接着返回 ICMP 差错报文网络包，类型是时间超时。
接下来将 TTL 设置为 2，第一个路由器过了，遇到第二个路由器也牺牲了，也同时返回了 ICMP 差错报文数据包，如此往复，直到到达目的主机。这样的过程，traceroute 就可以拿到了所有的路由器 IP。
traceroute 还有一个作用是故意设置不分片，从而确定路径的 MTU。这样做的目的是为了路径MTU发现。
它的工作原理如下：
首先在发送端主机发送 IP 数据报时，将 IP 包首部的分片禁止标志位设置为 1。根据这个标志位，途中的路由器不会对大数据包进行分片，而是将包丢弃。
随后，通过一个 ICMP 的不可达消息将数据链路上 MTU 的值一起给发送主机，不可达消息的类型为「需要进行分片但设置了不分片位」。
发送主机端每次收到 ICMP 差错报文时就减少包的大小，以此来定位一个合适的 MTU 值，以便能到达目标主机。