Linux ping命令及其原理介绍
什么是 Ping
ping是一种计算机网络工具,用来测试数据包能否透过IP协议到达特定主机。ping的运作原理是向目标主机传出一个ICMP echo@要求数据包,并等待接收echo回应数据包。程序会按时间和成功响应的次数估算丢失数据包率(丢包率)和数据包往返时间(网络时延,Round-trip delay time)。———— 维基百科
我们在网络通信的过程中,常常使用 ping 某一个 IP 地址或者某个域名看下基本连接是否正常;是否有丢包;是否有网络延迟。ping 就是我们经常用来作为网络连接通信的测试“指令”。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | C:\>ping www.baidu.com 正在 Ping www.a.shifen.com [119.75.216.20] 具有 32 字节的数据: 来自 119.75.216.20 的回复: 字节=32 时间=42ms TTL=53 来自 119.75.216.20 的回复: 字节=32 时间=42ms TTL=53 来自 119.75.216.20 的回复: 字节=32 时间=42ms TTL=53 来自 119.75.216.20 的回复: 字节=32 时间=42ms TTL=53 119.75.216.20 的 Ping 统计信息: 数据包: 已发送 = 4,已接收 = 4,丢失 = 0 (0% 丢失), 往返行程的估计时间(以毫秒为单位): 最短 = 42ms,最长 = 42ms,平均 = 42ms |
在网络中ping是一个十分强大的TCP/IP工具。它的作用主要为:
1、用来检测网络的连通情况和分析网络速度
2、根据域名得到服务器IP
3、根据ping返回的TTL值来判断对方所使用的操作系统及数据包经过路由器数量。
我们通常会用它来直接ping ip地址,来测试网络的连通情况。
类如这种,直接ping ip地址或网关,ping通会显示出以上数据,有朋友可能会问,bytes=32;time<1ms;TTL=128 这些是什么意思。
bytes值:数据包大小,也就是字节。
time值:响应时间,这个时间越小,说明你连接这个地址速度越快。
TTL值:Time To Live,表示DNS记录在DNS服务器上存在的时间,它是IP协议包的一个值,告诉路由器该数据包何时需要被丢弃。TTL的简单含义是,解析程序应在查询过期之前缓存DNS查询多长时间,并且需要完成一个新查询。这些TTL值在操作系统之间有所不同。在这里,您可以找到服务器范围的TTL值。参考 subinsb。
我们可以通过Ping返回的TTL值大小,粗略地判断目标系统类型是Windows系列还是UNIX/Linux系列。
这些TTL值在操作系统之间有所不同。在这里,您可以找到服务器范围的TTL值。
Device / OS | Version | Protocol | TTL |
---|---|---|---|
AIX | TCP | 60 | |
AIX | UDP | 30 | |
AIX | 3.2, 4.1 | ICMP | 255 |
BSDI | BSD/OS 3.1 and 4.0 | ICMP | 255 |
Compa | Tru64 v5.0 | ICMP | 64 |
Cisco | ICMP | 254 | |
DEC Pathworks | V5 | TCP and UDP | 30 |
Foundry | ICMP | 64 | |
FreeBSD | 2.1R | TCP and UDP | 64 |
FreeBSD | 3.4, 4.0 | ICMP | 255 |
FreeBSD | 5 | ICMP | 64 |
HP-UX | 9.0x | TCP and UDP | 30 |
HP-UX | 10.01 | TCP and UDP | 64 |
HP-UX | 10.2 | ICMP | 255 |
HP-UX | 11 | ICMP | 255 |
HP-UX | 11 | TCP | 64 |
Irix | 5.3 | TCP and UDP | 60 |
Irix | 6.x | TCP and UDP | 60 |
Irix | 6.5.3, 6.5.8 | ICMP | 255 |
juniper | ICMP | 64 | |
MPE/IX (HP) | ICMP | 200 | |
Linux | 2.0.x kernel | ICMP | 64 |
Linux | 2.2.14 kernel | ICMP | 255 |
Linux | 2.4 kernel | ICMP | 255 |
Linux | Red Hat 9 | ICMP and TCP | 64 |
MacOS/MacTCP | 2.0.x | TCP and UDP | 60 |
MacOS/MacTCP | X (10.5.6) | ICMP/TCP/UDP | 64 |
NetBSD | ICMP | 255 | |
Netgear FVG318 | ICMP and UDP | 64 | |
OpenBSD | 2.6 & 2.7 | ICMP | 255 |
OpenVMS | 07.01.2002 | ICMP | 255 |
OS/2 | TCP/IP 3.0 | 64 | |
OSF/1 | V3.2A | TCP | 60 |
OSF/1 | V3.2A | UDP | 30 |
Solaris | 2.5.1, 2.6, 2.7, 2.8 | ICMP | 255 |
Solaris | 2.8 | TCP | 64 |
Stratus | TCP_OS | ICMP | 255 |
Stratus | TCP_OS (14.2-) | TCP and UDP | 30 |
Stratus | TCP_OS (14.3+) | TCP and UDP | 64 |
Stratus | STCP | ICMP/TCP/UDP | 60 |
SunOS | 4.1.3/4.1.4 | TCP and UDP | 60 |
SunOS | 5.7 | ICMP and TCP | 255 |
Ultrix | V4.1/V4.2A | TCP | 60 |
Ultrix | V4.1/V4.2A | UDP | 30 |
Ultrix | V4.2 – 4.5 | ICMP | 255 |
VMS/Multinet | TCP and UDP | 64 | |
VMS/TCPware | TCP | 60 | |
VMS/TCPware | UDP | 64 | |
VMS/Wollongong | 1.1.1.1 | TCP | 128 |
VMS/Wollongong | 1.1.1.1 | UDP | 30 |
VMS/UCX | TCP and UDP | 128 | |
Windows | for Workgroups | TCP and UDP | 32 |
Windows | 95 | TCP and UDP | 32 |
Windows | 98 | ICMP | 32 |
Windows | 98, 98 SE | ICMP | 128 |
Windows | 98 | TCP | 128 |
Windows | NT 3.51 | TCP and UDP | 32 |
Windows | NT 4.0 | TCP and UDP | 128 |
Windows | NT 4.0 SP5- | 32 | |
Windows | NT 4.0 SP6+ | 128 | |
Windows | NT 4 WRKS SP 3, SP 6a | ICMP | 128 |
Windows | NT 4 Server SP4 | ICMP | 128 |
Windows | ME | ICMP | 128 |
Windows | 2000 pro | ICMP/TCP/UDP | 128 |
Windows | 2000 family | ICMP | 128 |
Windows | Server 2003 | 128 | |
Windows | XP | ICMP/TCP/UDP | 128 |
Windows | Vista | ICMP/TCP/UDP | 128 |
Windows | 7 | ICMP/TCP/UDP | 128 |
Windows | Server 2008 | ICMP/TCP/UDP | 128 |
Windows | 10 | ICMP/TCP/UDP | 128 |
ping命令除了直接ping网络的ip地址,验证网络畅通和速度之外,它还有这些用法。
Ping 的工作原理
在维基百科中解释有说明, Ping 的原理是 ICMP 协议.
什么是 ICMP 协议
ICMP 的全称是 Intent Control Message Protocol, 中文过来就是 互联网控制报文协议
网络数据包在庞大的网络中会很多各种不同情况。如果一定需要举一个例子来比如的话,用相当于兵种的侦察兵。时刻给大部队探测前方的情况。以便后方的大部队能够根据不同情况做出不同的调整。所以 ICMP 经常用于网络环境的测试。
互联网控制消息协议(英语:Internet Control Message Protocol,缩写:ICMP)是互联网协议族的核心协议之一。它用于TCP/IP网络中发送控制消息,提供可能发生在通信环境中的各种问题反馈,通过这些信息,使管理者可以对所发生的问题作出诊断,然后采取适当的措施解决。 —— 维基百科
ICMP 协议的格式
用图文表示:
ICMP 报文封装在 IP 包里面。ICMP 的报文类型根据类型和代码有很多,文章后面有来自维基百科的完整的表格。但是主要分为两类:
A、查询报文
B、差错报文
查询报文 (Echo Request与 Echo Reply)
定义:发送端主动发起请求,并且获取到应答。
常见应用:Ping
Ping 就是主动请求,获取到主动应答。但是 Ping 是在原生的 ICMP 中添加了自定义格式区域。例如 Ping 中放了发送的请求时间,以此计算出路程。所以,其实在 Ping 的报文中会加入序号,以用来区分数据包,从而提高计算时间或者路程的准确性。
差错报文
主要有以下几种:
1. 源抑制
发送端发送大量数据时,可能会导致网络( 路由器 )过载,此时过载处可以向发送端发送源抑制的消息,让他降低发送速度。
2. 终点不可到达
网络信息不能到达终点,就会给发送端发送一个目的不可到达的信息。告诉发送端可能是设备故障而引起关闭(情况之一)。然后这种又可以再次细分:
A、网络不可达 — 代码为 0,
B、主机不可达 — 代码为 1.
C、协议不可达 — 代码为 2.
D、端口不可达 — 代码为 3.
E、需要分段 - 代码为 4.( 必须把数据分段才能去到终点 )
3. 超时
网络包超过设置的在网络中的生存时间,还没有达到。
4. 路由重定向
定义数据包的路由股则。因为大部分的时候,路由规则是通过相关协议算法生成的,有些时候重新定义过之后,会让这个数据包绕的更远。
常见应用:Traceroute
Traceoute 有点像是在不断试错的意思。是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具。Ping 我们知道是可以知道这条大路通不通的,Traceoute 通过设置 TTL 知道到底是哪个路由器不通。
TTL : 数据包在网络中生存时间,也就是通过数据被路由器转发的次数,没转发一次就减一。知道为 0 的时候就抛弃。
Traceroute 的原理:它收到目的主机的 IP 后,首先给目的主机发送一个 TTL=1 的 UDP 数据包,而经过的第一个路由器收到这个数据包以后,就自动把 TTL 减 1,而 TTL 变为 0 以后,路由器就把这个包给抛弃了,并同时产生 一个主机不可达的 ICMP 数据报给主机。如此循环就可以知道所有的路由 IP 了。( ICMP 出错了就会回错误包 )
通常 Traceoute 的目的端口设置的是一个大于 30000 的值( 一般的应用端口号远小于这个数 )。所以如果回复的是 “端口不可达”,那就说明到达终点,否则这个信息就会超时。以此确保 消息是否到达终点。
Traceoute 还有一个有意思的功能,就是确定 MTU(数据最大传输单元),Traceoute 通常对数据不分段,就直接发送,如果如果遇到过程中某个路由转发,出现返回 ICMP 需要分段的错误,就把数据进行拆分,直到最后到达终点。就验证出 MTU。
ICMP 其实还有很多意思的地方,这边就简单的介绍到这里。
附表:
其它基础用法
ping -t的使用
不间断地Ping指定计算机,直到管理员中断。
这就说明电脑连接路由器是通的,网络效果很好。下面按按住键盘的Ctrl+C终止它继续ping下去,就会停止了,会总结出运行的数据包有多少,通断的有多少了。
ping -a的使用
ping-a解析计算机名与NetBios名。就是可以通过ping它的ip地址,可以解析出主机名。当你遇到一个ip,却不知道他是那个设备时,这时你可以通过ping -a知道它的主机名。
ping -n的使用
在默认情况下,一般都只发送四个数据包,通过这个命令可以自己定义发送的个数,对衡量网络速度很有帮助,比如我想测试发送10个数据包的返回的平均时间为多少,最快时间为多少,最慢时间为多少就可以通过以下获知:
从以上我就可以知道在给47.93.187.142发送10个数据包的过程当中,返回了10个,没有丢失,这10个数据包当中返回速度最快为32ms,最慢为55ms,平均速度为37ms。说明我的网络良好。
如果对于一些不好的网络,比如监控系统中非常卡顿,这样测试,返回的结果可能会显示出丢失出一部分,如果丢失的比较多的话,那么就说明网络不好,可以很直观的判断出网络的情况。
ping -l size的使用
ping-l size:发送size指定大小的到目标主机的数据包。
在默认的情况下Windows的ping发送的数据包大小为32byt,最大能发送65500byt。当一次发送的数据包大于或等于65500byt时,将可能导致接收方计算机宕机。所以微软限制了这一数值;这个参数配合其它参数以后危害非常强大,比如攻击者可以结合-t参数实施DOS攻击。(所以它具有危险性,不要轻易向别人计算机使用)。
例如:ping -l 65500 -t 211.84.7.46
会连续对IP地址执行ping命令,直到被用户以Ctrl+C中断。
这样它就会不停的向211.84.7.46计算机发送大小为65500byt的数据包,如果你只有一台计算机也许没有什么效果,但如果有很多计算机那么就可以使对方完全瘫痪,网络严重堵塞,由此可见威力非同小可。
ping -r count 的使用
这个命令在“记录路由”字段中记录传出和返回数据包的路由,探测经过的路由个数,但最多只能跟踪到9个路由。
ping -n 1 -r 9 202.102.224.25 (发送一个数据包,最多记录9个路由)
将经过 9个路由都显示出来了,可以看图。也就是说可以跟踪ip地址所经过的9个路由,在检查故障时可以快速定位。
如何同时批量ping多个ip地址
1、ping一个网段
对于一个网段ip地址众多,如果单个检测实在麻烦,那么我们可以直接批量ping网段检测,那个ip地址出了问题,一目了然。
先看代码,直接在命令行窗口输入:
1 | for /l %d in (1,1,255) do ping 10.168.1.%d |
IP地址段修改成你要检查的IP地址段。
当输入批量命令后,那么它就自动把网段内所有的ip地址都ping完为止。
那么这段“for /L %D in(1,1,255) do ping 10.168.1.%D” 代码是什么意思呢?
代码中的这个(1,1,255)就是网段起与始,就是检测网段192.168.1.1到192.168.1.255之间的所有的ip地址,每次逐增1,直接到1到255这255个ip检测完为止。
2、ping网段升级
上面的命令虽然能批量ping 地址,但是上面代码在命令行窗口显示数量多的时候看起来也很麻烦,那么再升级一下,用下面的代码。
for /L %D in (1,1,255) do ping -n 10.168.1.%D >>a.txt
说明,ip地址是变的,你填你需要测的ip网段就行,a.txt也是变的,可以自已设置名称。
这样就会把结果导入的a.txt文件中,全部IP检查完成后打开a.txt搜索“TTL=”包含它的就是通的地址,没有包含“TTL=”的地址就是不通的。如下图
打开后,就直接搜索没TTL的就可以了。
3、ping网段命令再升级
很多人要说了这样还要搜索,也不是太方便,需要这样查来查去,那么我们再看下,是否有更简便的方法呢?第一监控之前就发过。
答案肯定是有的,我们来看代码。
for /l %D in (1,1,255) do (ping 192.168.1.%D -n 1 && echo 192.168.1.%D>>ok.txt || echo 192.168.1.%D >>no.txt)
这段代码会将ping通的IP和不通的IP分别放到两个文件里面,这样是不是很方便啦,如下图:
这段代码非常实用,在大网络中可以用到,就是大家在输入的时候需要细心,不过也没有关系,可以直接把这个文章收藏,日后要用,直接复制里面代码,然后改下里面ip地址就行了。
4、ping网段命令终极方法
上面提到的三种代码提到的都是针对同一个网段内ip地址批量检测,那么肯定在实际项目中,也可能存不同网段的ip地址需要同时检测,那么怎么办呢?
也有方法,可以把没有规划的ip地址同时批量检测,我们来看下代码:
for /f %D in (ip.txt) do (ping %D -n 1 && echo %i>>ok.txt || echo %D >>no.txt)
看见没有多了一个ip.txt文件,这个文件是要你自己准备的哦,把你ping的地址写到这个文件里面,同时可以ping 1000个ip地址以上,代码会自己读取这个文件里面的ip地址,并且把结果放到两个文件里面去。这里就不给大家截图了很容易理解。
这里面补充下:
上面代码生成的文件在你命令行默认目录下。也就是说如果你的命令行状态是:
"c:\windows\system32>"那么生成的文件就在系统的system32目录下面。如果是"c:\"那么文件就在C盘根目录下。这个可以根据自己的实际情况进行调整。
ping 的工作原理
在日常生活或工作中,我们在判断与对方网络是否畅通,使用的最多的莫过于 ping
命令了。
“那你知道 ping
是如何工作的吗?” —— 来自小林的灵魂拷问
可能有的小伙伴奇怪的问:“我虽然不明白它的工作,但 ping 我也用的贼 6 啊!”
你用的是 6 ,但你在面试官面前,你就 6 不起来了,毕竟他们也爱问。
所以,我们要抱有「知其然,知其所以然」的态度,这样就能避免面试过程中,出门右拐的情况了。
IP协议的助手 —— ICMP 协议
ping 是基于 ICMP
协议工作的,所以要明白 ping 的工作,首先我们先来熟悉 ICMP 协议。
ICMP 是什么?
ICMP 全称是 Internet Control Message Protocol,也就是互联网控制报文协议。
里面有个关键词 —— 控制,如何控制的呢?
网络包在复杂的网络传输环境里,常常会遇到各种问题。当遇到问题的时候,总不能死的不明不白,没头没脑的作风不是计算机网络的风格。所以需要传出消息,报告遇到了什么问题,这样才可以调整传输策略,以此来控制整个局面。
ICMP 功能都有啥?
ICMP
主要的功能包括: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。
在 IP
通信中如果某个 IP
包因为某种原因未能达到目标地址,那么这个具体的原因将由 ICMP 负责通知。
如上图例子,主机 A
向主机 B
发送了数据包,由于某种原因,途中的路由器 2
未能发现主机 B
的存在,这时,路由器 2
就会向主机 A
发送一个 ICMP
目标不可达数据包,说明发往主机 B
的包未能成功。
ICMP 的这种通知消息会使用 IP
进行发送 。
因此,从路由器 2
返回的 ICMP 包会按照往常的路由控制先经过路由器 1
再转发给主机 A
。收到该 ICMP 包的主机 A
则分解 ICMP 的首部和数据域以后得知具体发生问题的原因。
ICMP 包头格式
ICMP 报文是封装在 IP 包里面,它工作在网络层,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 —— 类型
0
和8
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(ICMP Echo Request Message
,类型 8
),也可以接收对端主机发回来的回送应答消息(ICMP Echo Reply Message
,类型 0
)。
相比原生的 ICMP,这里多了两个字段:
- 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
, 可以用来确认网络包是否有丢失。
在选项数据中,ping
还会存放发送请求的时间值,来计算往返时间,说明路程的长短。
差错报文类型
接下来,说明几个常用的 ICMP 差错报文的例子:
- 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(Destination Unreachable Message) —— 类型为
3
IP 路由器无法将 IP 数据包发送给目标地址时,会给发送端主机返回一个目标不可达的 ICMP 消息,并在这个消息中显示不可达的具体原因,原因记录在 ICMP 包头的代码字段。
由此,根据 ICMP 不可达的具体消息,发送端主机也就可以了解此次发送不可达的具体原因。
举例 6 种常见的目标不可达类型的代码:
- 网络不可达代码为
0
- 主机不可达代码为
1
- 协议不可达代码为
2
- 端口不可达代码为
3
- 需要进行分片但设置了不分片位代码为
4
为了给大家说清楚上面的目标不可达的原因,小林牺牲自己给大家送 5 次外卖。
为什么要送外卖?别问,问就是为 35
岁的老林做准备 ...
a. 网络不可达代码为 0
外卖版本:
小林第一次送外卖时,小区里只有 A 和 B 区两栋楼,但送餐地址写的是 C 区楼,小林表示头上很多问号,压根就没这个地方。
正常版本:
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,就通过 ICMP 协议以网络不可达(Network Unreachable
)的原因告知主机。
自从不再有网络分类以后,网络不可达也渐渐不再使用了。
b. 主机不可达代码为 1
外卖版本:
小林第二次送外卖时,这次小区有 5 层楼高的 C 区楼了,找到地方了,但送餐地址写的是 C 区楼 601 号房 ,说明找不到这个房间。
正常版本:
当路由表中没有该主机的信息,或者该主机没有连接到网络,那么会通过 ICMP 协议以主机不可达(Host Unreachable
)的原因告知主机。
c. 协议不可达代码为 2
外卖版本:
小林第三次送外卖时,这次小区有 C 区楼,也有 601 号房,找到地方了,也找到房间了,但是一开门人家是外国人说的是英语,我说的是中文!语言不通,外卖送达失败~
正常版本:
当主机使用 TCP 协议访问对端主机时,能找到对端的主机了,可是对端主机的防火墙已经禁止 TCP 协议访问,那么会通过 ICMP 协议以协议不可达的原因告知主机。
d. 端口不可达代码为 3
外卖版本:
小林第四次送外卖时,这次小区有 C 区楼,也有 601 号房,找到地方了,也找到房间了,房间里的人也是说中文的人了,但是人家说他要的不是外卖,而是快递。。。
正常版本:
当主机访问对端主机 8080 端口时,这次能找到对端主机了,防火墙也没有限制,可是发现对端主机没有进程监听 8080 端口,那么会通过 ICMP 协议以端口不可达的原因告知主机。
e. 需要进行分片但设置了不分片位代码为 4
外卖版本:
小林第五次送外卖时,这次是个吃播博主点了 100 份外卖,但是吃播博主要求一次性要把全部外卖送达,小林的一台电动车装不下呀,这样就没办法送达了。
正常版本:
发送端主机发送 IP 数据报时,将 IP 首部的分片禁止标志位设置为1
。根据这个标志位,途中的路由器遇到超过 MTU 大小的数据包时,不会进行分片,而是直接抛弃。
随后,通过一个 ICMP 的不可达消息类型,代码为 4 的报文,告知发送端主机。
原点抑制消息(ICMP Source Quench Message) —— 类型
4
在使用低速广域线路的情况下,连接 WAN 的路由器可能会遇到网络拥堵的问题。
ICMP
原点抑制消息的目的就是为了缓和这种拥堵情况。
当路由器向低速线路发送数据时,其发送队列的缓存变为零而无法发送出去时,可以向 IP 包的源地址发送一个 ICMP 原点抑制消息。
收到这个消息的主机借此了解在整个线路的某一处发生了拥堵的情况,从而增大 IP 包的传输间隔,减少网络拥堵的情况。
然而,由于这种 ICMP 可能会引起不公平的网络通信,一般不被使用。
重定向消息(ICMP Redirect Message) —— 类型
5
如果路由器发现发送端主机使用了「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信息和源数据。这主要发生在路由器持有更好的路由信息的情况下。路由器会通过这样的 ICMP 消息告知发送端,让它下次发给另外一个路由器。
好比,小林本可以过条马路就能到的地方,但小林不知道,所以绕了一圈才到,后面小林知道后,下次小林就不会那么傻再绕一圈了。
超时消息(ICMP Time Exceeded Message) —— 类型
11
IP 包中有一个字段叫做 TTL
(Time To Live
,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。
此时,路由器将会发送一个 ICMP 超时消息给发送端主机,并通知该包已被丢弃。
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。
此外,有时可以用 TTL 控制包的到达范围,例如设置一个较小的 TTL 值。
ping —— 查询报文类型的使用
接下来,我们重点来看 ping
的发送和接收过程。
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。
ICMP 数据包内包含多个字段,最重要的是两个:
- 第一个是类型,对于回送请求消息而言该字段为
8
; - 另外一个是序号,主要用于区分连续 ping 的时候发出的多个数据包。
每发出一个请求数据包,序号会自动加 1
。为了能够计算往返时间 RTT
,它会在报文的数据部分插入发送时间。
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。
针对上面发送的事情,总结成了如下图:
当然这只是最简单的,同一个局域网里面的情况。如果跨网段的话,还会涉及网关的转发、路由器的转发等等。
但是对于 ICMP 的头来讲,是没什么影响的。会影响的是根据目标 IP 地址,选择路由的下一跳,还有每经过一个路由器到达一个新的局域网,需要换 MAC 头里面的 MAC 地址。
说了这么多,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)。
traceroute —— 差错报文类型的使用
有一款充分利用 ICMP 差错报文类型的应用叫做 traceroute
(在UNIX、MacOS中是这个命令,而在Windows中对等的命令叫做 tracert )。
- traceroute 作用一
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。
traceroute 的参数指向某个目的 IP 地址:
1 | traceroute 192.168.1.100 |
这个作用是如何工作的呢?
它的原理就是利用 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。
当然有的路由器根本就不会返回这个 ICMP,所以对于有的公网地址,是看不到中间经过的路由的。
发送方如何知道发出的 UDP 包是否到达了目的主机呢?
traceroute 在发送 UDP
包时,会填入一个不可能的端口号值作为 UDP 目标端口号(大于 3000
)。当目的主机,收到 UDP 包后,会返回 ICMP 差错报文消息,但这个差错报文消息的类型是「端口不可达」。
所以,当差错报文类型是端口不可达时,说明发送方发出的 UDP 包到达了目的主机。
- traceroute 作用二
traceroute 还有一个作用是故意设置不分片,从而确定路径的 MTU。
这么做是为了什么?
这样做的目的是为了路径MTU发现。
因为有的时候我们并不知道路由器的 MTU
大小,以太网的数据链路上的 MTU
通常是 1500
字节,但是非以外网的 MTU
值就不一样了,所以我们要知道 MTU
的大小,从而控制发送的包大小。
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。
参考资料:
[1] 竹下隆史.图解TCP/IP.人民邮电出版社.
[2] 刘超.趣谈网络协议.极客时间.
读者问答
读者问:“有个问题就是A的icmp到了B后,B为啥会自动给A一个回执0?这是操作系统的底层设计吗?”
你说的“回执0”是指 ICMP 类型为 0 吗?如果是的话,那么 B 收到 A 的回送请求(类型为8) ICMP 报文,B 主机操作系统协议栈发现是个回送请求 ICMP 报文,那么协议栈就会组装一个回送应答(类型为0)的 icmp 回应给 A。