聽說(shuō)你 ping 用的很 6 ？給我圖解一下 ping 的工作原理！

每日一句英語(yǔ)學(xué)習(xí)，每天進(jìn)步一點(diǎn)點(diǎn)：

前言

在日常生活或工作中，我們?cè)谂袛嗯c對(duì)方網(wǎng)絡(luò)是否暢通，使用的最多的莫過(guò)于 ping 命令了。

“那你知道 ping 是如何工作的嗎？” —— 來(lái)自小林的靈魂拷問(wèn)

可能有的小伙伴奇怪的問(wèn)：“我雖然不明白它的工作，但 ping 我也用的賊 6 ??！”

你用的是 6 ，但你能面試官面前，你就 6 不起來(lái)了，畢竟他們也愛問(wèn)。

所以，我們要抱有「知其然，知其所以然」的態(tài)度，這樣就能避免面試過(guò)程中，出門右拐的情況了。

不知道的小伙伴也沒(méi)關(guān)系，今天我們就來(lái)搞定它，搞懂它。消除本次的問(wèn)號(hào)，讓問(wèn)號(hào)少一點(diǎn)。

正文

IP協(xié)議的助手 —— ICMP 協(xié)議

ping 是基于 ICMP 協(xié)議工作的，所以要明白 ping 的工作，首先我們先來(lái)熟悉 ICMP 協(xié)議。

ICMP 是什么？

ICMP 全稱是 Internet Control Message Protocol，也就是互聯(lián)網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議。

里面有個(gè)關(guān)鍵詞 —— 控制，如何控制的呢？

網(wǎng)絡(luò)包在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境里，常常會(huì)遇到各種問(wèn)題。當(dāng)遇到問(wèn)題的時(shí)候，總不能死個(gè)不明不白，沒(méi)頭沒(méi)腦的作風(fēng)不是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)格。所以需要傳出消息，報(bào)告遇到了什么問(wèn)題，這樣才可以調(diào)整傳輸策略，以此來(lái)控制整個(gè)局面。

ICMP 功能都有啥？

ICMP 主要的功能包括：確認(rèn) IP 包是否成功送達(dá)目標(biāo)地址、報(bào)告發(fā)送過(guò)程中 IP 包被廢棄的原因和改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。

在 IP 通信中如果某個(gè) IP 包因?yàn)槟撤N原因未能達(dá)到目標(biāo)地址，那么這個(gè)具體的原因?qū)?strong style="font-size: inherit;line-height: inherit;color: rgb(48, 79, 254);">由 ICMP 負(fù)責(zé)通知。

如上圖例子，主機(jī) A 向主機(jī) B 發(fā)送了數(shù)據(jù)包，由于某種原因，途中的路由器 2 未能發(fā)現(xiàn)主機(jī) B 的存在，這時(shí)，路由器 2 就會(huì)向主機(jī) A 發(fā)送一個(gè) ICMP 目標(biāo)不可達(dá)數(shù)據(jù)包，說(shuō)明發(fā)往主機(jī) B 的包未能成功。

ICMP 的這種通知消息會(huì)使用 IP 進(jìn)行發(fā)送 。

因此，從路由器 2 返回的 ICMP 包會(huì)按照往常的路由控制先經(jīng)過(guò)路由器 1 再轉(zhuǎn)發(fā)給主機(jī) A 。

收到該 ICMP 包的主機(jī) A 則分解 ICMP 的首部和數(shù)據(jù)域以后得知具體發(fā)生問(wèn)題的原因。

ICMP 包頭格式

ICMP 報(bào)文是封裝在 IP 包里面，它工作在網(wǎng)絡(luò)層，是 IP 協(xié)議的助手。

ICMP 包頭的類型字段，大致可以分為兩大類：

• 一類是用于診斷的查詢消息，也就是「查詢報(bào)文類型」

• 另一類是通知出錯(cuò)原因的錯(cuò)誤消息，也就是「差錯(cuò)報(bào)文類型」

查詢報(bào)文類型

回送消息 —— 類型 0 和 8

回送消息用于進(jìn)行通信的主機(jī)或路由器之間，判斷所發(fā)送的數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)成功到達(dá)對(duì)端的一種消息，ping 命令就是利用這個(gè)消息實(shí)現(xiàn)的。

可以向?qū)Χ酥鳈C(jī)發(fā)送回送請(qǐng)求的消息（ICMP Echo Request Message，類型 8），也可以接收對(duì)端主機(jī)發(fā)回來(lái)的回送應(yīng)答消息（ICMP Echo Reply Message，類型 0）。

相比原生的 ICMP，這里多了兩個(gè)字段：

• 標(biāo)識(shí)符：用以區(qū)分是哪個(gè)應(yīng)用程序發(fā) ICMP 包，比如用進(jìn)程 PID 作為標(biāo)識(shí)符；

• 序號(hào)：序列號(hào)從 0 開始，每發(fā)送一次新的回送請(qǐng)求就會(huì)加 1， 可以用來(lái)確認(rèn)網(wǎng)絡(luò)包是否有丟失。

在選項(xiàng)數(shù)據(jù)中，ping 還會(huì)存放發(fā)送請(qǐng)求的時(shí)間值，來(lái)計(jì)算往返時(shí)間，說(shuō)明路程的長(zhǎng)短。

差錯(cuò)報(bào)文類型

接下來(lái)，說(shuō)明幾個(gè)常用的 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文的例子：

• 目標(biāo)不可達(dá)消息 —— 類型 為 3

• 原點(diǎn)抑制消息 —— 類型 4

• 重定向消息 —— 類型 5

• 超時(shí)消息 —— 類型 11

目標(biāo)不可達(dá)消息（Destination Unreachable Message） —— 類型為 3

IP 路由器無(wú)法將 IP 數(shù)據(jù)包發(fā)送給目標(biāo)地址時(shí)，會(huì)給發(fā)送端主機(jī)返回一個(gè)目標(biāo)不可達(dá)的 ICMP 消息，并在這個(gè)消息中顯示不可達(dá)的具體原因，原因記錄在 ICMP 包頭的代碼字段。

由此，根據(jù) ICMP 不可達(dá)的具體消息，發(fā)送端主機(jī)也就可以了解此次發(fā)送不可達(dá)的具體原因。

舉例 6 種常見的目標(biāo)不可達(dá)類型的代碼：

• 網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)代碼為 0

• 主機(jī)不可達(dá)代碼為 1

• 協(xié)議不可達(dá)代碼為 2

• 端口不可達(dá)代碼為 3

• 需要進(jìn)行分片但設(shè)置了不分片位代碼為 4

為了給大家說(shuō)清楚上面的目標(biāo)不可達(dá)的原因，小林犧牲自己給大家送 5 次外賣。

為什么要送外賣？別問(wèn)，問(wèn)就是為 35 歲的老林做準(zhǔn)備 …

a. 網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)代碼為 0

外賣版本：

小林第一次送外賣時(shí)，小區(qū)里只有 A 和 B 區(qū)兩棟樓，但送餐地址寫的是 C 區(qū)樓，小林表示頭上很多問(wèn)號(hào)，壓根就沒(méi)這個(gè)地方。

正常版本：

IP 地址是分為網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)的，所以當(dāng)路由器中的路由器表匹配不到接收方 IP 的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，就通過(guò) ICMP 協(xié)議以網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)（Network Unreachable）的原因告知主機(jī)。

自從不再有網(wǎng)絡(luò)分類以后，網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)也漸漸不再使用了。

b. 主機(jī)不可達(dá)代碼為 1

外賣版本：

小林第二次送外賣時(shí)，這次小區(qū)有 5 層樓高的 C 區(qū)樓了，找到地方了，但送餐地址寫的是 C 區(qū)樓 601 號(hào)房 ，說(shuō)明找不到這個(gè)房間。

正常版本：

當(dāng)路由表中沒(méi)有該主機(jī)的信息，或者該主機(jī)沒(méi)有連接到網(wǎng)絡(luò)，那么會(huì)通過(guò) ICMP 協(xié)議以主機(jī)不可達(dá)（Host Unreachable）的原因告知主機(jī)。

c. 協(xié)議不可達(dá)代碼為 2

外賣版本：

小林第三次送外賣時(shí)，這次小區(qū)有 C 區(qū)樓，也有 601 號(hào)房，找到地方了，也找到房間了，但是一開門人家是外國(guó)人說(shuō)的是英語(yǔ)，我說(shuō)的是中文！語(yǔ)言不通，外賣送達(dá)失敗~

正常版本：

當(dāng)主機(jī)使用 TCP 協(xié)議訪問(wèn)對(duì)端主機(jī)時(shí)，能找到對(duì)端的主機(jī)了，可是對(duì)端主機(jī)的防火墻已經(jīng)禁止 TCP 協(xié)議訪問(wèn)，那么會(huì)通過(guò) ICMP 協(xié)議以協(xié)議不可達(dá)的原因告知主機(jī)。

d. 端口不可達(dá)代碼為 3

外賣版本：

小林第四次送外賣時(shí)，這次小區(qū)有 C 區(qū)樓，也有 601 號(hào)房，找到地方了，也找到房間了，房間里的人也是說(shuō)中文的人了，但是人家說(shuō)他要的不是外賣，而是快遞。。。

正常版本：

當(dāng)主機(jī)訪問(wèn)對(duì)端主機(jī) 8080 端口時(shí)，這次能找到對(duì)端主機(jī)了，防火墻也沒(méi)有限制，可是發(fā)現(xiàn)對(duì)端主機(jī)沒(méi)有進(jìn)程監(jiān)聽 8080 端口，那么會(huì)通過(guò) ICMP 協(xié)議以端口不可達(dá)的原因告知主機(jī)。

e. 需要進(jìn)行分片但設(shè)置了不分片位代碼為 4

外賣版本：

小林第五次送外賣時(shí)，這次是個(gè)吃播博主了 100 份外賣，但是吃播博主要求一次性要把全部外賣送達(dá)，小林的一臺(tái)電動(dòng)車裝不下呀，這樣就沒(méi)辦法送達(dá)了。

正常版本：

發(fā)送端主機(jī)發(fā)送 IP 數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，將 IP 首部的分片禁止標(biāo)志位設(shè)置為1。根據(jù)這個(gè)標(biāo)志位，途中的路由器遇到超過(guò) MTU 大小的數(shù)據(jù)包時(shí)，不會(huì)進(jìn)行分片，而是直接拋棄。

隨后，通過(guò)一個(gè) ICMP 的不可達(dá)消息類型，代碼為 4 的報(bào)文，告知發(fā)送端主機(jī)。

原點(diǎn)抑制消息（ICMP Source Quench Message） —— 類型 4

在使用低速?gòu)V域線路的情況下，連接 WAN 的路由器可能會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)擁堵的問(wèn)題。

ICMP 原點(diǎn)抑制消息的目的就是為了緩和這種擁堵情況。

當(dāng)路由器向低速線路發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其發(fā)送隊(duì)列的緩存變?yōu)榱愣鵁o(wú)法發(fā)送出去時(shí)，可以向 IP 包的源地址發(fā)送一個(gè) ICMP 原點(diǎn)抑制消息。

收到這個(gè)消息的主機(jī)借此了解在整個(gè)線路的某一處發(fā)生了擁堵的情況，從而增大 IP 包的傳輸間隔，減少網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況。

然而，由于這種 ICMP 可能會(huì)引起不公平的網(wǎng)絡(luò)通信，一般不被使用。

重定向消息（ICMP Redirect Message） —— 類型 5

如果路由器發(fā)現(xiàn)發(fā)送端主機(jī)使用了「不是最優(yōu)」的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)，那么它會(huì)返回一個(gè) ICMP 重定向消息給這個(gè)主機(jī)。

在這個(gè)消息中包含了最合適的路由信息和源數(shù)據(jù)。這主要發(fā)生在路由器持有更好的路由信息的情況下。路由器會(huì)通過(guò)這樣的 ICMP 消息告知發(fā)送端，讓它下次發(fā)給另外一個(gè)路由器。

好比，小林本可以過(guò)條馬路就能到的地方，但小林不知道，所以繞了一圈才到，后面小林知道后，下次小林就不會(huì)那么傻再繞一圈了。

超時(shí)消息（ICMP Time Exceeded Message） —— 類型 11

IP 包中有一個(gè)字段叫做 TTL （Time To Live，生存周期），它的值隨著每經(jīng)過(guò)一次路由器就會(huì)減 1，直到減到 0 時(shí)該 IP 包會(huì)被丟棄。

此時(shí)，IP 路由器將會(huì)發(fā)送一個(gè) ICMP 超時(shí)消息給發(fā)送端主機(jī)，并通知該包已被丟棄。

設(shè)置 IP 包生存周期的主要目的，是為了在路由控制遇到問(wèn)題發(fā)生循環(huán)狀況時(shí)，避免 IP 包無(wú)休止地在網(wǎng)絡(luò)上被轉(zhuǎn)發(fā)。

此外，有時(shí)可以用 TTL 控制包的到達(dá)范圍，例如設(shè)置一個(gè)較小的 TTL 值。

ping —— 查詢報(bào)文類型的使用

接下來(lái)，我們重點(diǎn)來(lái)看 ping 的發(fā)送和接收過(guò)程。

同個(gè)子網(wǎng)下的主機(jī) A 和 主機(jī) B，主機(jī) A 執(zhí)行ping 主機(jī) B 后，我們來(lái)看看其間發(fā)送了什么？

ping 命令執(zhí)行的時(shí)候，源主機(jī)首先會(huì)構(gòu)建一個(gè) ICMP 回送請(qǐng)求消息數(shù)據(jù)包。

ICMP 數(shù)據(jù)包內(nèi)包含多個(gè)字段，最重要的是兩個(gè)：

• 第一個(gè)是類型，對(duì)于回送請(qǐng)求消息而言該字段為 8；

• 另外一個(gè)是序號(hào)，主要用于區(qū)分連續(xù) ping 的時(shí)候發(fā)出的多個(gè)數(shù)據(jù)包。

每發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，序號(hào)會(huì)自動(dòng)加 1。為了能夠計(jì)算往返時(shí)間 RTT，它會(huì)在報(bào)文的數(shù)據(jù)部分插入發(fā)送時(shí)間。

然后，由 ICMP 協(xié)議將這個(gè)數(shù)據(jù)包連同地址 192.168.1.2 一起交給 IP 層。IP 層將以 192.168.1.2 作為目的地址，本機(jī) IP 地址作為源地址，協(xié)議字段設(shè)置為 1 表示是 ICMP 協(xié)議，在加上一些其他控制信息，構(gòu)建一個(gè) IP 數(shù)據(jù)包。

接下來(lái)，需要加入 MAC 頭。如果在本地 ARP 映射表中查找出 IP 地址 192.168.1.2 所對(duì)應(yīng)的 MAC 地址，則可以直接使用；如果沒(méi)有，則需要發(fā)送 ARP 協(xié)議查詢 MAC 地址，獲得 MAC 地址后，由數(shù)據(jù)鏈路層構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)幀，目的地址是 IP 層傳過(guò)來(lái)的 MAC 地址，源地址則是本機(jī)的 MAC 地址；還要附加上一些控制信息，依據(jù)以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問(wèn)規(guī)則，將它們傳送出去。

主機(jī) B 收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀后，先檢查它的目的 MAC 地址，并和本機(jī)的 MAC 地址對(duì)比，如符合，則接收，否則就丟棄。

接收后檢查該數(shù)據(jù)幀，將 IP 數(shù)據(jù)包從幀中提取出來(lái)，交給本機(jī)的 IP 層。同樣，IP 層檢查后，將有用的信息提取后交給 ICMP 協(xié)議。

主機(jī) B 會(huì)構(gòu)建一個(gè) ICMP 回送響應(yīng)消息數(shù)據(jù)包，回送響應(yīng)數(shù)據(jù)包的類型字段為 0，序號(hào)為接收到的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包中的序號(hào)，然后再發(fā)送出去給主機(jī) A。

在規(guī)定的時(shí)候間內(nèi)，源主機(jī)如果沒(méi)有接到 ICMP 的應(yīng)答包，則說(shuō)明目標(biāo)主機(jī)不可達(dá)；如果接收到了 ICMP 回送響應(yīng)消息，則說(shuō)明目標(biāo)主機(jī)可達(dá)。

此時(shí)，源主機(jī)會(huì)檢查，用當(dāng)前時(shí)刻減去該數(shù)據(jù)包最初從源主機(jī)上發(fā)出的時(shí)刻，就是 ICMP 數(shù)據(jù)包的時(shí)間延遲。

針對(duì)上面發(fā)生的事情，總結(jié)成了如下圖：

當(dāng)然這只是最簡(jiǎn)單的，同一個(gè)局域網(wǎng)里面的情況。如果跨網(wǎng)段的話，還會(huì)涉及網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)、路由器的轉(zhuǎn)發(fā)等等。

但是對(duì)于 ICMP 的頭來(lái)講，是沒(méi)什么影響的。會(huì)影響的是根據(jù)目標(biāo) IP 地址，選擇路由的下一跳，還有每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器到達(dá)一個(gè)新的局域網(wǎng)，需要換 MAC 頭里面的 MAC 地址。

說(shuō)了這么多，可以看出 ping 這個(gè)程序是使用了 ICMP 里面的 ECHO REQUEST（類型為 8 ） 和 ECHO REPLY （類型為 0）。

traceroute —— 差錯(cuò)報(bào)文類型的使用

有一款充分利用 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文類型的應(yīng)用叫做 traceroute（在UNIX、MacOS中是這個(gè)命令，而在Windows中對(duì)等的命令叫做 tracert ）。

1. traceroute 作用一

traceroute 的第一個(gè)作用就是故意設(shè)置特殊的 TTL，來(lái)追蹤去往目的地時(shí)沿途經(jīng)過(guò)的路由器。

traceroute 的參數(shù)指向某個(gè)目的 IP 地址：

traceroute 192.168.1.100

這個(gè)作用是如何工作的呢？

它的原理就是利用 IP 包的生存期限 從 1 開始按照順序遞增的同時(shí)發(fā)送 UDP 包，強(qiáng)制接收 ICMP 超時(shí)消息的一種方法。

比如，將 TTL 設(shè)置 為 1，則遇到第一個(gè)路由器，就犧牲了，接著返回 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文網(wǎng)絡(luò)包，類型是時(shí)間超時(shí)。

接下來(lái)將 TTL 設(shè)置為 2，第一個(gè)路由器過(guò)了，遇到第二個(gè)路由器也犧牲了，也同意返回了 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文數(shù)據(jù)包，如此往復(fù)，直到到達(dá)目的主機(jī)。

這樣的過(guò)程，traceroute 就可以拿到了所有的路由器 IP。

當(dāng)然有的路由器根本就不會(huì)返回這個(gè) ICMP，所以對(duì)于有的公網(wǎng)地址，是看不到中間經(jīng)過(guò)的路由的。

發(fā)送方如何知道發(fā)出的 UDP 包是否到達(dá)了目的主機(jī)呢？

traceroute 在發(fā)送 UDP 包時(shí)，會(huì)填入一個(gè)不可能的端口號(hào)值作為 UDP 目標(biāo)端口號(hào)（大于 3000 ）。當(dāng)目的主機(jī)，收到 UDP 包后，會(huì)返回 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文消息，但這個(gè)差錯(cuò)報(bào)文消息的類型「端口不可達(dá)」。

所以，當(dāng)差錯(cuò)報(bào)文類型是端口不可達(dá)時(shí)，說(shuō)明發(fā)送方發(fā)出的 UDP 包到達(dá)了目的主機(jī)。

2. traceroute 作用二

traceroute 還有一個(gè)作用是故意設(shè)置不分片，從而確定路徑的 MTU。

這么做是為了什么？

這樣做的目的是為了路徑MTU發(fā)現(xiàn)。

因?yàn)橛械臅r(shí)候我們并不知道路由器的 MTU 大小，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路上的 MTU 通常是 1500 字節(jié)，但是非以太網(wǎng)的 MTU 值就不一樣了，所以我們要知道 MTU 的大小，從而控制發(fā)送的包大小。

它的工作原理如下：

首先在發(fā)送端主機(jī)發(fā)送 IP 數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，將 IP 包首部的分片禁止標(biāo)志位設(shè)置為 1。根據(jù)這個(gè)標(biāo)志位，途中的路由器不會(huì)對(duì)大數(shù)據(jù)包進(jìn)行分片，而是將包丟棄。

隨后，通過(guò)一個(gè) ICMP 的不可達(dá)消息將數(shù)據(jù)鏈路上 MTU 的值一起給發(fā)送主機(jī)，不可達(dá)消息的類型為「需要進(jìn)行分片但設(shè)置了不分片位」。

發(fā)送主機(jī)端每次收到 ICMP 差錯(cuò)報(bào)文時(shí)就減少包的大小，以此來(lái)定位一個(gè)合適的 MTU 值，以便能到達(dá)目標(biāo)主機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1] 竹下隆史.圖解TCP/IP.人民郵電出版社.

[2] 劉超.趣談網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.極客時(shí)間.

輕松時(shí)刻

來(lái)了，它還是來(lái)了，倉(cāng)鼠時(shí)刻 ，嘿嘿！

最后如果你覺得本文或倉(cāng)鼠不錯(cuò)，“關(guān)注+轉(zhuǎn)發(fā)+再看”，一條龍走起，我就當(dāng)你打賞了 66.6 元了。

Goodbye，我們下次見！

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