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[導讀]科普tcp協議棧對ping命令處理過程

知識回顧

在前面的文章中,我們已經介紹了ip數據包的封裝接口,其中主要是以下幾個接口:
  • route_init():路由表的初始化
  • ip_rcv():發(fā)送以太網幀數據
  • ip_output():發(fā)送以太網幀數據 這幾個接口是我們封裝IP數據接口的基礎,最好還是先搞明白原理。

ICMP 協議的格式

無論是在宿舍,還是在辦公室,或者運維一個數據中心,我們常常會遇到網絡不通的問題。那臺機器明明就在那里,你甚至都可以通過機器的終端連上去看。它看著好好的,可是就是連不上去,究竟是哪里出了問題呢?一般情況下,你會想到 ping 一下。
那你知道 ping 是如何工作的嗎?
ping 是基于 ICMP 協議工作的。ICMP全稱Internet Control Message Protocol,就是互聯網控制報文協議。
網絡包在異常復雜的網絡環(huán)境中傳輸時,常常會遇到各種各樣的問題。當遇到問題的時候,總不能“死個不明不白”,要傳出消息來,報告情況,這樣才可以調整傳輸策略。這就相當于我們經??吹降碾娨晞±?,古代行軍的時候,為將為帥者需要通過偵察兵、哨探或傳令兵等人肉的方式來掌握情況,控制整個戰(zhàn)局。ICMP 報文是封裝在 IP 包里面的。因為傳輸指令的時候,肯定需要源地址和目標地址。它本身非常簡單。因為作為偵查兵,要輕裝上陣,不能攜帶大量的包袱。
從而我們可以確定,ICMP是在ip協議之上的傳輸層協議,如下圖:


ICMP 報文有很多的類型,不同的類型有不同的代碼。最常用的類型是主動請求為 8,主動請求的應答為 0。

構造ICMP 報文

接下來,我們使用結構體來定義ICMP 報文,該結構體定義在level-ip的include/icmpv4.h文件中:

查詢報文類型

我們經常在電視劇里聽到這樣的話:主帥說,來人哪!前方戰(zhàn)事如何,快去派人打探,一有情況,立即通報!
這種是主帥發(fā)起的,主動查看敵情,對應 ICMP 的查詢報文類型。例如,常用的ping 就是查詢報文,是一種主動請求,并且獲得主動應答的 ICMP 協議。所以,ping 發(fā)的包也是符合 ICMP 協議格式的,只不過它在后面增加了自己的格式。
對 ping 的主動請求,進行網絡抓包,稱為ICMP ECHO REQUEST。同理主動請求的回復,稱為ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP,這里面多了兩個字段,一個是標識符。這個很好理解,你派出去兩隊偵查兵,一隊是偵查戰(zhàn)況的,一隊是去查找水源的,要有個標識才能區(qū)分。另一個是序號,你派出去的偵查兵,都要編個號。如果派出去 10 個,回來 10 個,就說明前方戰(zhàn)況不錯;如果派出去 10 個,回來 2 個,說明情況可能不妙。
在選項數據中,ping 還會存放發(fā)送請求的時間值,來計算往返時間,說明路程的長短。
當前,ICMP還有差錯報文類型,適合在遇到各種網絡故障時使用,我們這里暫不介紹。

ping:查詢報文類型的使用

接下來,我們重點來看 ping 的發(fā)送和接收過程
  • 主機A執(zhí)行ping 命令的時候,源主機首先會構建一個 ICMP 請求數據包,ICMP 數據包內包含多個字段。最重要的是兩個,第一個是類型字段,對于請求數據包而言該字段為 8;另外一個是順序號,主要用于區(qū)分連續(xù) ping 的時候發(fā)出的多個數據包。每發(fā)出一個請求數據包,順序號會自動加 1。為了能夠計算往返時間 RTT,它會在報文的數據部分插入發(fā)送時間。
  • 主機 B 收到這個數據幀后,先檢查它的目的 MAC 地址,并和本機的 MAC 地址對比,如符合,則接收,否則就丟棄。接收后檢查該數據幀,將 IP 數據包從幀中提取出來,交給本機的 IP 層。同樣,IP 層檢查后,將有用的信息提取后交給 ICMP 協議。主機 B 會構建一個 ICMP 應答包,應答數據包的類型字段為 0,順序號為接收到的請求數據包中的順序號,然后再發(fā)送出去給主機 A。
關于IP層數據收發(fā)和MAC層的數據收發(fā)已經在前面給大家分析過了,這里不再講解,我們重點關注IP數據包遞交給ICMP層的過程。

ICMP數據接收接口

ICMP數據接收接口為icmpv4_incoming()函數。該函數在以太網數據幀讀取接口ip_rcv()函數中調用。我們來了解一下這個函數,如下圖:
第4行:從ip數據包中獲取icmp報文
第8行:判斷icmp的報文類型,如果是查詢報文,則調用icmpv4_reply()函數

ICMP數據發(fā)送接口

ICMP數據發(fā)送接口為icmpv4_reply()函數,當level-ip協議棧接受到icmp查詢類型報文后,會調用該接口進行ICMP數據回復。如下圖:
第3行:獲取ip數據包首部
第8行:用ip數據包的總長度-ip首部長度,得到icmp包總長度
第10行:把sk_buff數據包指針移動到有效數據結束
第11行:把sk_buff數據包指針移動從有效數據的尾巴向前移動icmp包總長度
第13行:獲取icmp數據包
第15行:修改icmp協議類型為應答類型
第16行:把類型字段修改為0,表示ping應答
第17行:修改校驗數據
第20行:設置目標主機ip
第22行:調用ip數據發(fā)送接口,進行icmp數據包發(fā)送

總結

通過我們這邊文章,我們已經明白了ICMP協議的報文結構,并且對ping命令的處理過程有了一個源碼級別的了解。





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