PING命令的工作原理

1.概述
2. ICMP协议
- 2.1 ICMP是什么？
- 2.2 ICMP都有啥功能
- 2.2 ICMP包头格式
3.PING –查询报文类型的使用

1.概述

在我们的日常生活中，我们一般使用ping命令来判断与对方的网络是否通畅，其实大多数人都只是在用，没有深究其原理，下面我们抱着知其然，知其所以然的态度来学习学习。

2. ICMP协议

PING就是基于ICMP协议工作的，要明白PING，我们首先来熟悉一下ICMP协议

2.1 ICMP是什么？

ICMP全称就是互联网控制报文协议，这里有一个关键词—-控制。

网络包在复杂的网络传输环境里，经常会遇见各种问题，那么遇见问题了要怎么办呢？我们需要把消息传出去，报告到底出现了什么问题，这样才可以调整传输的策略，控制局面。

2.2 ICMP都有啥功能

ICMP的主要功能：确认IP包是否已经成功送达目标地址；报告发送过程中的IP包被废弃的原因以及改善网络设置等。

在IP通信的整个过程中，如果某一个IP包因为某种原因没有到达目的地址，那么具体的原因将会有ICMP负责通知。

如上图所示：主机A向主机B发送数据包的过程中，路由器2由于某些原因没能获取到主机B的MAC地址，这个时候路由器2就向主机A返回一个ICMP目标不可达的数据包，说明发给B的包没有成功。

2.2 ICMP包头格式

在上面的那个例子中，ICMP由路由器2发给路由器1，最后传给主机A，主机A拆解ICMP的首部和数据域后就能得知问题发生的原因了。

ICMP的报文是封装在IP包里面的，属于网络层。IP数据报文如下：

我们把它详细的拆解开来就是这样的：

我们从包头的类型字段开始说起，大致可以分为两大类;

查询报文类型：是用于诊断的查询消息。
差错报文类型：通知出错原因的错误消息

这两种类型分别包含不一样的内容：

下面我们来分析一下这两种类型：

（1）查询报文类型：

回送消息------内容0(回送应答)和8(回送请求)

回送消息用于通信的主机和路由器之间，它是判断所发送的消息是否已经成功送达对端的一种消息，ping命令就是利用回送消息实现的。

只要正常的返回了ICMP的回送响应，则代表了发送端主机到接收端主机可达。

ICMP的回送和请求报文相比于原生的ICMP，多了两个字段：

标识符：用以区分是哪个应用程序发的ICMP包，一般直接用进程号PID作为标识符；
序号：由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丢失。

在选项数据中，ping还会存放发送请求的时间值，计算往返时间。

（2）差错报文类型

差错报文有4个小类型：

目标不可达消息------类型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
1.目标不可达消息（3）

如果路由器没有办法将IP数据包发送给目标地址的时候，会给发送端主机返回一个目标不可达的ICMP消息。并说明具体不可达的原因，记录在代码字段。对于目标不可达类型的代码：

网络不可达的代码为 0
主机不可达的代码为 1
协议不可达的代码为 2
端口不可达的代码为 3
需要进行分片但是没有分片的代码为 4

什么是网络不可达？

IP地址分为网络号和主机号，当路由器中的路由表匹配不到接收方IP的网络号，就通过ICMP协议以网络不可达的原因告诉主机。

什么是主机不可达？

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。就会通过ICMP以主机不可达的原因告知主机。

什么是协议不可达？

当主机使用TCP协议访问对端主机时，能找到对端主机了，可是对端主机的防火墙禁止TCP协议访问，就会通知主机协议不可达。

什么是端口不可达？

当主机访问对端的8080端口，这次可以找到对面主机了，防火墙也没限制，但是对端主机没有进程监听8080端口，就会返回端口不可达。

需要进行分片但未设置分片位就比较简单好理解了。即数据包的大小超过MTU，但是分片标志位又禁止分片。

2.原点抑制消息（4）

当路由器向低速线路发送数据的时候，其发送队列的缓存变为0而无法发送出去的时候。可以向IP包发送一个ICMP原点抑制消息，收到这个消息的主机借此了解整个线路在某一处发生拥堵的情况，增大IP包传输的间隔，减少拥堵。

3.重定向消息（5）

当路由器发现了发送端主机使用的不是最优路径发送数据，那么他就会返回一个ICMP重定向消息给这个主机。这个消息还包含了最合适的路由信息和源数据，告诉主机下次应该走最优的路线。

4.超时消息（11）

IP包中有一个字段叫做TTL(生存周期)，它的值每经过一个路由器就会-1，直到为0时这个IP包就会被丢弃，此时路由器会发送一个ICMP超时消息给主机，通知他这个包已经被丢弃了。

那么生存周期的目的是什么呢？就是在路由控制遇到问题发生循环状况的时候，避免IP包无休止的在网络上被转发。我们也可以使用TTL控制包到达的范围。

3.PING –查询报文类型的使用

接下来，我们就重点看一下PING的发送和接收过程。

PING命令在执行的时候，源主机首先会构建一个ICMP 回送请求消息（8）的数据包。

ICMP数据报最重要的两个字段：

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，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，序号就会自动+1，为了能够计算往返时间RRT,报文的数据部分会插入发送时间。

组包完成之后，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为源地址，协议字段设置为1（ICMP协议），再加上一些控制信息，就构成了一个IP包。

接下来就需要加入MAC头。在本地的ARP地址映射表中如果可以查找出IP地址192.168.1.2所对应的MAC地址，就可以直接使用。如果没有，就需要ARP广播查询MAC地址。获取到MAC地址之后，数据链路层就会构建一个数据帧。目的MAC是IP层传过来的，源地址则是本机MAC，再附加一些控制信息，根据以太网的介质访问规则，将他们传出去。

在规定的时间内，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的回送响应，则说明目标主机可达。

这个时候源主机就会检查，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数据包的时间延迟了。

最后张图总结一下PING的过程：这张图中的PING过程是在一个局域网里面的情况。如果跨网段的话，可能会涉及到网关的转发，路由器的转发等。这对于ICMP来说，不过是根据IP地址，选择路由的下一跳，还有就是每经过一个路由器达到一个新的局域网，需要更换MAC头里面的MAC地址。

我们使用wireshark抓取一个PING的网络包看一下：

可以看见上面两步是模组向本地DNS服务器查询目标主机的IP地址，然后本地DNS返回了IP地址

下面就是PING的交互流程。我们先看一下以太网头：

可以看见里面包含了源主机的目标主机的MAC地址。

再看一下IP头：

里面包含了协议类型 1 和源，目标IP地址以及一些控制信息。

再看一下ICMP请求报文：

可以看见type是8 ，这正是回送请求类型。

（大家有没有注意过这个LE,TE是什么呢？查阅了资料发现原来wireshark考虑到window系统与Linux系统发出的ping报文（主要指ping应用字段而非包含IP头的ping包）的字节顺序不一样（windows为LE：little-endian byte order，Linux为BE：big-endian））,也就是我们所说的大小端序。wireshark666!!!

总结一点：PING其实就是使用了ICMP中的回送应答和回送请求。(0和8).