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脑残式网络编程入门(五):每天都在用的Ping命令,它到底是什么?

本文引用了公众号纯洁的微笑作者奎哥的技术文章,感谢原作者的分享。


1、前言


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老于网络编程熟手来说,在测试和部署网络通信应用(比如IM聊天、实时音视频等)时,如果发现网络连接超时,第一时间想到的就是使用Ping命令Ping一下服务器看看通不通。甚至在有些情况下通过图形化的Ping命令工具对目标网络进行长测(比如:《两款增强型Ping工具:持续统计、图形化展式网络状况 [附件下载]》、《网络测试:Android版多路ping命令工具EnterprisePing[附件下载]),可以得出当前网络通信的网络延迟、网络丢包率、网络抖动等等有价值信息。

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Ping命令很简单,但作为为数不多的网络检测工具,却非常有用,是开发网络应用时最常用到的命令。虽然“Ping”这个动作这么简单,但你知道Ping命令背后后的逻辑吗?这就是本文要告诉你!

2、系列文章


本文是系列文章中的第5篇,本系列大纲如下:


3、Ping命令的作用和原理


简单来说,「ping」是用来探测本机与网络中另一主机之间是否可达的命令,如果两台主机之间ping不通,则表明这两台主机不能建立起连接。ping是定位网络通不通的一个重要手段。

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ping 命令是基于 ICMP 协议来工作的,「 ICMP 」全称为 Internet 控制报文协议(Internet Control Message Protocol)。ping 命令会发送一份ICMP回显请求报文给目标主机,并等待目标主机返回ICMP回显应答。因为ICMP协议会要求目标主机在收到消息之后,必须返回ICMP应答消息给源主机,如果源主机在一定时间内收到了目标主机的应答,则表明两台主机之间网络是可达的。

举一个例子来描述「ping」命令的工作过程:

  • 1)假设有两个主机,主机A(192.168.0.1)和主机B(192.168.0.2),现在我们要监测主机A和主机B之间网络是否可达,那么我们在主机A上输入命令:ping 192.168.0.2;
  • 2)此时,ping命令会在主机A上构建一个 ICMP的请求数据包(数据包里的内容后面再详述),然后 ICMP协议会将这个数据包以及目标IP(192.168.0.2)等信息一同交给IP层协议;
  • 3)IP层协议得到这些信息后,将源地址(即本机IP)、目标地址(即目标IP:192.168.0.2)、再加上一些其它的控制信息,构建成一个IP数据包;
  • 4)IP数据包构建完成后,还不够,还需要加上MAC地址,因此,还需要通过ARP映射表找出目标IP所对应的MAC地址。当拿到了目标主机的MAC地址和本机MAC后,一并交给数据链路层,组装成一个数据帧,依据以太网的介质访问规则,将它们传送出出去;
  • 5)当主机B收到这个数据帧之后,会首先检查它的目标MAC地址是不是本机,如果是就接收下来处理,接收之后会检查这个数据帧,将数据帧中的IP数据包取出来,交给本机的IP层协议,然后IP层协议检查完之后,再将ICMP数据包取出来交给ICMP协议处理,当这一步也处理完成之后,就会构建一个ICMP应答数据包,回发给主机A;
  • 6)在一定的时间内,如果主机A收到了应答包,则说明它与主机B之间网络可达,如果没有收到,则说明网络不可达。除了监测是否可达以外,还可以利用应答时间和发起时间之间的差值,计算出数据包的延迟耗时。

通过ping的流程可以发现,ICMP协议是这个过程的基础,是非常重要的,下面的章节会把ICMP协议再详细解释一下,请继续往下读。

4、正确理解ICMP协议


Ping命令所基于的ICMP协议所处的网络模型层级:
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▲ 上图来自《计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)[附件下载]》,您可下载此图的完整清晰版

Ping命令这么简单,在任何系统上上手就能使用,很多人可能想当然的认为Ping命令使用的ICMP协议应该是基于传输层的TCP或UDP协议的吧

正如上图所示,ICMP协议既不是基于TCP,也不是基于UDP,而是直接基于网络层的IP协议,在整个网络协议栈中属于相当底层的协议了。这也从侧面证明了它的重要性,因为根据ICMP的RFC手册规定:ICMP协议是任何支持IP协议的系统必须实现的,没有余地。而IP协议是整个互联网的基石,ICMP协议虽简单,但重要性不言而喻。

所以,以后面视的时候,如果碰到“ICMP协议是基于什么实现的?”这样的问题,请一定要记往此节所讲的内容。

5、深入ICMP协议


我们知道,ping命令是基于ICMP协议来实现的。那么我们再来看下图,就明白了ICMP协议又是通过IP协议来发送的,即ICMP报文是封装在IP包中(如下图所示)。

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IP协议是一种无连接的,不可靠的数据包协议,它并不能保证数据一定被送达,那么我们要保证数据送到就需要通过其它模块来协助实现,这里就引入的是ICMP协议。

当传送的IP数据包发送异常的时候,ICMP就会将异常信息封装在包内,然后回传给源主机。

将上图再细拆一下可见:
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继续将ICMP协议模块细拆:
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由图可知,ICMP数据包由8bit的类型字段和8bit的代码字段以及16bit的校验字段再加上选项数据组成。

ICMP协议大致可分为两类:

  • 1)查询报文类型;
  • 2)差错报文类型。

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【关于查询报文类型】:

查询报文主要应用于:ping查询、子网掩码查询、时间戳查询等等。

上面讲到的ping命令的流程其实就对应ICMP协议查询报文类型的一种使用。在主机A构建ICMP请求数据包的时候,其ICMP的类型字段中使用的是 8 (回送请求),当主机B构建ICMP应答包的时候,其ICMP类型字段就使用的是 0 (回送应答),更多类型值参考上表。

对 查询报文类型 的理解可参考一下文章最开始讲的ping流程,这里就不做赘述。

【关于差错报文类型】:

差错报文主要产生于当数据传送发送错误的时候。

它包括:目标不可达(网络不可达、主机不可达、协议不可达、端口不可达、禁止分片等)、超时、参数问题、重定向(网络重定向、主机重定向等)等等。

差错报文通常包含了引起错误的IP数据包的第一个分片的IP首部,加上该分片数据部分的前8个字节。

当传送IP数据包发生错误的时候(例如 主机不可达),ICMP协议就会把错误信息封包,然后传送回源主机,那么源主机就知道该怎么处理了。

6、ICMP差错报文的妙用


正如上一节所介绍的那样,ICMP协议主要有:查询报文类型和差错报文类型两种。对于差错报文来说,是不是只有遇到错误的时候才能使用呢?不是!

基于这个特性,Linux下的Traceroute指令(Windows下的对等指令是tracert)利于ICMP的差错报文可以实现遍历到数据包传输路径上的所有路由器!这真是个有用的命令!

百度百科上关于traceroute命令的用途:

traceroute (Windows 系统下是tracert) 命令利用ICMP 协议定位您的计算机和目标计算机之间的所有路由器。TTL 值可以反映数据包经过的路由器或网关的数量,通过操纵独立ICMP 呼叫报文的TTL 值和观察该报文被抛弃的返回信息,traceroute命令能够遍历到数据包传输路径上的所有路由器。


ICMP的差错报文的使用,使得Traceroute成为用来侦测源主机到目标主机之间所经过路由情况的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的规则,制造一些错误的事件出来,然后根据错误的事件来评估网络路由情况

traceroute的基本原理如下图所示:
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具体做法就是:

  • 1)Traceroute会设置特殊的TTL值,来追踪源主机和目标主机之间的路由数。首先它给目标主机发送一个 TTL=1 的UDP数据包,那么这个数据包一旦在路上遇到一个路由器,TTL就变成了0(TTL规则是每经过一个路由器都会减1),因为TTL=0了,所以路由器就会把这个数据包丢掉,然后产生一个错误类型(超时)的ICMP数据包回发给源主机,也就是差错包。这个时候源主机就拿到了第一个路由节点的IP和相关信息了;
  • 2)接着,源主机再给目标主机发一个 TTL=2 的UDP数据包,依旧上述流程走一遍,就知道第二个路由节点的IP和耗时情况等信息了;
  • 3)如此反复进行,Traceroute就可以拿到从主机A到主机B之间所有路由器的信息了。

但是有个问题是,如果数据包到达了目标主机的话,即使目标主机接收到TTL值为1的IP数据包,它也是不会丢弃该数据包的,也不会产生一份超时的ICMP回发数据包的,因为数据包已经达到了目的地嘛。那我们应该怎么认定数据包是否达到了目标主机呢?

Traceroute的方法是在源主机发送UDP数据包给目标主机的时候,会设置一个不可能达到的目标端口号(例如大于30000的端口号),那么当这个数据包真的到达目标主机的时候,目标主机发现没有对应的端口号,因此会产生一份“端口不可达”的错误ICMP报文返回给源主机。

可见Traceroute的原理确实很取巧,很有趣。如您对Traceroute感兴趣,可以深入读一读《从Traceroute看网络问题》一文。

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标签:网络编程
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评论 2
真的, 总是在用ping, 确对它知之甚少, 惭愧啊
签名: 生活压力越来越大了,买房就像一场梦。。。。。
很实用
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