LwIP之ICMP协议

ICMP（网际控制报文协议），ICMP数据包是封装在IP数据包中的，由于IP不是为可靠传输服务设计的，ICMP的目的主要是用于在TCP/IP网络中发送和控制消息。主要应用有Ping、Traceroute和MTU测试。

ICMP报文的种类有三大种类，即ICMP差错报文、控制报文、请求/应答报文，各大类型报文又分为多种类型报文。

差错报文：

（1）特点：

1.ICMP差错报文都是有路由器发送到源主机的。

2.ICMP报文只提供IP数据报的差错报告，并不采取处理措施，差错处理由应用程序处理。

3.传输过程中可能丢失、损坏，甚至被抛弃。

4.ICMP差错报文是伴随着抛弃出错的IP数据报而产生的。

5.为了防止广播风暴，以下情况不会产生ICMP差错报文。

1）ICMP差错报文 2）目的地址是广播或多播 3）链路层广播的数据报 4）不是IP分片的第一片 5）源地址是零地址、回送地址、广播地址或多播地址

（2）信息不可达报文：

1.目的机硬件故障或关机

2.目标地址不存在

3.网关不知道去往目的机的路径

（3）超时报文：

1.为了避免无限制的在网中循环，IP协议采用

1）在数据报头设置TTL域 2）对分片数据报采用定时器技术

2.当报文超时出现时，路由器或目的机立即丢弃该数据报，并向信源机发送超时报文

控制报文：

（1）拥塞控制与源站控制报文：

1.当路由器接收比处理快或者传入比传出快时就会产生拥塞

2.路由器通过发送源站抑制报文来抑制主机发送速率

3.源主机一段时间内没有收到抑制报文，便认为抑制解除，逐渐恢复原来的数据流量

（2）路由控制与重定向报文：

1.当源主机要向目标主机发送IP数据报时，则把IP数据报发送给默认路器1，再由路由器1经过选路发送给路由器2，路由器2发送给目标主机

2.如果路由器1和路由器2在同一网络，路由器1发现源主机可直接发送IP数据报给路由器2，就会向源主机发送重定向报文，以后源主机将直接发送IP报文给路由器2

请求/应答报文：

（1）回送请求与应答报文：

1.测试目标主机和路由器是否可以到达

（2）时戳请求与应答报文：

1.同步互联网中各个主机的时钟

（3）地址掩码请求和应答报文

1.用于无盘系统在引导过程中获取子网掩码。启动时广播地址掩码请求，路由器收到请求后回送一个包含32位地址掩码应答报文

报文格式，ICMP报文由8字节首部和可变长数据部分组成。不同类型的ICMP报文，首部格式有一定差异，但是首部前4字节的字段对所有类型通用。

类型：标识了ICMP具体类型

代码：进一步指出产生该类型ICMP的原因

校验和：整个ICMP的校验和

LWIP实现了ICMP的部分功能：目的不可达报文、超时报文、回送查询报文。

报文格式分别如下所示：

ICMP头部基本类似，信息不可达和超时报文的头部，相当于回送查询报文头部中标识符和序号设置为0的情况。因此，LwIP只以回送查询报文为基础提供了一种ICMP头部结构体

/* ICMP类型 */
#define ICMP_ER 0       /* 回送查询应答 */
#define ICMP_DUR 3      /* 目的不可达 */
#define ICMP_SQ 4       /* 源端被关闭 */
#define ICMP_RD 5       /* 重定向 */
#define ICMP_ECHO 8     /* 回送查询请求 */
#define ICMP_TE 11      /* 超时 */
#define ICMP_PP 12      /* 参数问题 */
#define ICMP_TS 13      /* 时间戳请求 */
#define ICMP_TSR 14     /* 时间戳应答 */
#define ICMP_IRQ 15     /* 信息请求 */
#define ICMP_IR 16      /* 信息应答 *//* ICMP目的不可达代码 */
enum icmp_dur_type {ICMP_DUR_NET = 0,      /* 网络不可达 */ICMP_DUR_HOST = 1,      /* 主机不可达 */ICMP_DUR_PROTO = 2,     /* 协议不可达 */ICMP_DUR_PORT = 3,      /* 端口不可达 */ICMP_DUR_FRAG = 4,      /* 需要分片但不分片位被置位 */ICMP_DUR_SR = 5          /* 源路由失败 */
};/* ICMP超时代码 */
enum icmp_te_type {ICMP_TE_TTL = 0,      /* 生存时间计时器超时 */ICMP_TE_FRAG = 1      /* 分片重装超时 */
};/* ICMP回送查询报文头部 */
struct icmp_echo_hdr {PACK_STRUCT_FIELD(u8_t type);     //类型PACK_STRUCT_FIELD(u8_t code);       //代码PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum);    //检验和PACK_STRUCT_FIELD(u16_t id);       //标识符PACK_STRUCT_FIELD(u16_t seqno);    //序号
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

在前面分析ip_input函数时，当报文类型为ICMP报文时，调用icmp_input函数处理ICMP报文。当遇到不支持的协议时调用icmp_dest_unreach函数，返回目的不可达报文。

/* IP数据包输入处理 */
err_t ip_input(struct pbuf *p, struct netif *inp)
{struct ip_hdr *iphdr;....../* IP头部指针 */iphdr = p->payload;....../* 判断协议类型 */switch (IPH_PROTO(iphdr)) {/* UDP协议 */case IP_PROTO_UDP:udp_input(p, inp);break;/* TCP协议 */case IP_PROTO_TCP:tcp_input(p, inp);break;/* ICMP协议 */case IP_PROTO_ICMP:icmp_input(p, inp);break;/* 不支持的协议 */default:/* 目的IP不是广播地址且不是组播地址 */if (!ip_addr_isbroadcast(&(iphdr->dest), inp) && !ip_addr_ismulticast(&(iphdr->dest))) {p->payload = iphdr;/* 发送ICMP目的不可达报文(协议不可达) */icmp_dest_unreach(p, ICMP_DUR_PROTO);}/* 释放数据包 */pbuf_free(p);}}......return ERR_OK;
}

下面先来看目的不可达报文的实现方式

/* 发送ICMP目的不可达报文 */
void icmp_dest_unreach(struct pbuf *p, enum icmp_dur_type t)
{icmp_send_response(p, ICMP_DUR, t);
}/* 发送ICMP响应报文 */
static void icmp_send_response(struct pbuf *p, u8_t type, u8_t code)
{struct pbuf *q;struct ip_hdr *iphdr;struct icmp_echo_hdr *icmphdr;/* 为ICMP报文申请内存空间 */q = pbuf_alloc(PBUF_IP, sizeof(struct icmp_echo_hdr) + IP_HLEN + ICMP_DEST_UNREACH_DATASIZE, PBUF_RAM);if (q == NULL) {LWIP_DEBUGF(ICMP_DEBUG, ("icmp_time_exceeded: failed to allocate pbuf for ICMP packet.\n"));return;}LWIP_ASSERT("check that first pbuf can hold icmp message", (q->len >= (sizeof(struct icmp_echo_hdr) + IP_HLEN + ICMP_DEST_UNREACH_DATASIZE)));/* IP头部指针 */iphdr = p->payload;LWIP_DEBUGF(ICMP_DEBUG, ("icmp_time_exceeded from "));ip_addr_debug_print(ICMP_DEBUG, &(iphdr->src));LWIP_DEBUGF(ICMP_DEBUG, (" to "));ip_addr_debug_print(ICMP_DEBUG, &(iphdr->dest));LWIP_DEBUGF(ICMP_DEBUG, ("\n"));/* ICMP头部指针 */icmphdr = q->payload;/* ICMP头部类型 */icmphdr->type = type;/* ICMP头部代码 */icmphdr->code = code;/* ICMP头部剩余字节(标识符) */icmphdr->id = 0;/* ICMP头部剩余字节(序号) */icmphdr->seqno = 0;/* 将源数据报中的8字节 */SMEMCPY((u8_t *)q->payload + sizeof(struct icmp_echo_hdr), (u8_t *)p->payload, IP_HLEN + ICMP_DEST_UNREACH_DATASIZE);/* ICMP头部检验和 */icmphdr->chksum = 0;icmphdr->chksum = inet_chksum(icmphdr, q->len);ICMP_STATS_INC(icmp.xmit);snmp_inc_icmpoutmsgs();snmp_inc_icmpouttimeexcds();/* 调用IP输出函数，发送ICMP数据包 */ip_output(q, NULL, &(iphdr->src), ICMP_TTL, 0, IP_PROTO_ICMP);/* 释放数据包 */pbuf_free(q);
}

接下来再看 icmp_input函数

/* ICMP报文接收处理 */
void icmp_input(struct pbuf *p, struct netif *inp)
{u8_t type;struct icmp_echo_hdr *iecho;struct ip_hdr *iphdr;struct ip_addr tmpaddr;s16_t hlen;/* IP头部指针 */iphdr = p->payload;/* IP头部长度 */hlen = IPH_HL(iphdr) * 4;/* 向后调整剥离IP头部，保证ICMP头部不小于4字节 */if (pbuf_header(p, -hlen) || (p->tot_len < sizeof(u16_t) * 2)) {goto lenerr;}/* ICMP类型 */type = *((u8_t *)p->payload);/* 判断ICMP类型 */switch (type) {/* 回送查询报文 */case ICMP_ECHO:{int accepted = 1;/* ICMP目的IP为组播地址 */if (ip_addr_ismulticast(&iphdr->dest)) {accepted = 0;    //不做处理}/* ICMP目的IP为广播地址 */if (ip_addr_isbroadcast(&iphdr->dest, inp)) {accepted = 0;    //不做处理}/* 不做处理，直接释放ICMP数据包 */if (!accepted) {pbuf_free(p);return;}}/* 检查ICMP数据包长度合不合理 */if (p->tot_len < sizeof(struct icmp_echo_hdr)) {goto lenerr;}/* 检查检验和是否正确 */if (inet_chksum_pbuf(p) != 0) {pbuf_free(p);return;}/* ICMP头部指针 */iecho = p->payload;/* 将IP头部中源地址和目的地址交换 */tmpaddr.addr = iphdr->src.addr;iphdr->src.addr = iphdr->dest.addr;iphdr->dest.addr = tmpaddr.addr;/* 设置ICMP报文类型为回送查询应答 */ICMPH_TYPE_SET(iecho, ICMP_ER);/* 重新设置ICMP头部校验和 */if (iecho->chksum >= htons(0xffff - (ICMP_ECHO << 8))) {iecho->chksum += htons(ICMP_ECHO << 8) + 1;} else {iecho->chksum += htons(ICMP_ECHO << 8);}/* 设置IP头部TTL字段 */IPH_TTL_SET(iphdr, ICMP_TTL);/* 计算IP头部校验和字段 */IPH_CHKSUM_SET(iphdr, 0);IPH_CHKSUM_SET(iphdr, inet_chksum(iphdr, IP_HLEN));/* 向前调整出IP头部空间 */if(pbuf_header(p, hlen)) {} else {/* 通过IP发送函数，发送回送查询应答报文 */ip_output_if(p, &(iphdr->src), IP_HDRINCL, ICMP_TTL, 0, IP_PROTO_ICMP, inp);}break;/* 不处理其它类型的ICMP报文 */default:break;}pbuf_free(p);return;lenerr:pbuf_free(p);return;
}

在前面分析IP数据报重组的时候，一旦重组超时协议栈就会删除重组并向源主机返回ICMP分片重组超时报文

/* 重组IP数据报定时器回调函数(周期1秒) */
void ip_reass_tmr(void)
{struct ip_reassdata *r, *prev = NULL;/* 遍历所有重组IP数据报 */r = reassdatagrams;while (r != NULL) {/* 没有超时，将生存周期减一 */if (r->timer > 0) {r->timer--;prev = r;r = r->next;} /* 超时 */else {struct ip_reassdata *tmp;tmp = r;r = r->next;/* 释放重组IP数据报的所有分片，并将重组IP数据报从链表中移除 */ip_reass_free_complete_datagram(tmp, prev);}}
}/* 释放重组IP数据报的所有分片，并将重组IP数据报从链表中移除 */
static int ip_reass_free_complete_datagram(struct ip_reassdata *ipr, struct ip_reassdata *prev)
{......struct ip_reass_helper *iprh;/* 向源主机发送ICMP分片重组超时报文 */iprh = (struct ip_reass_helper *)ipr->p->payload;if (iprh->start == 0) {p = ipr->p;ipr->p = iprh->next_pbuf;SMEMCPY(p->payload, &ipr->iphdr, IP_HLEN);icmp_time_exceeded(p, ICMP_TE_FRAG);pbufs_freed += pbuf_clen(p);pbuf_free(p);}......
}

下面就来看一下ICMP超时报文发送函数

/* 发送ICMP超时报文 */
void icmp_time_exceeded(struct pbuf *p, enum icmp_te_type t)
{icmp_send_response(p, ICMP_TE, t);
}

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