日常開發中，我們經常會碰到查詢網絡是否暢通以及域名對應 IP 地址等小需求，這時候用的最多的應該就是 ping 命令了。 那你知道 ping 命令是怎麼工作的嗎？今天，我們就來一起認識下 ping 命令及其對應的 ICMP 協議。
ICMP 協議
ICMP 全稱 Internet Control Message Protocol，指互聯網控制報文協議。
網絡本身是不可靠的，數據包在傳輸過程中，可能會發生很多突發事件並導致數據傳輸失敗。而網絡層的 IP 協議是一個無連接的協議，它不會處理網絡層的故障，因此，我們需要其它的協議，在數據包傳輸出現故障時，能將故障信息傳回來，這樣才能對應處理相關問題。
就像在電視劇裏看到的古代戰爭一樣，打仗的時候需要通過斥候來傳遞戰局情況，進而更好的控制戰局。而 ICMP 報文在網絡世界中就充當“斥候”這樣的角色。
ICMP 報文是封裝在 IP 包裏面的。因爲傳輸指令的時候，肯定需要源地址和目標地址。它本身格式非常簡單，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，代碼爲 8，主動請求的應答，代碼爲 0。從大的方面看可以分爲 查詢報文類型和差錯報文類型。
查詢報文類型
我們經常在電視劇裏聽到這樣的話：來人，前方戰事如何？斥候回來沒？一有情況，立刻通報。
類似這種主帥發起，主動查看敵情的情況，就對應着 ICMP的查詢報文類型。例如，常見的 ping 命令就是查詢報文，是一種主動請求，並且獲得主動應答的 ICMP 協議。因此，ping 命令發出的包也是符合 ICMP 協議格式的，只不過它在後面增加了自己的格式。
對 ping 的主動請求，進行網絡抓包，稱爲 ICMP ECHO REQUEST。同理，主動請求的回覆，稱爲ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP，這裏面多了兩個字段，一個是標識符，另一個是序號。這不難理解，大帥派出去兩隊斥候，一隊是找誰要的，一隊是偵查戰況的，要有個標識才能區分。
另一方面，派出去的斥候，都要編個號。如果派出去 10 個，回來 10 個，就說明前方戰況不錯。如果派出去 10 個，回來 2 個，就說明情況可能不妙。
在選項數據中，ping 還會存放發送請求的時間值，來計算往返時間，說明路程的長短。
差錯報文類型
差錯報文主要是用來將發送的出錯報文相關信息返回到源設備，以供源設備確定如果更好的重發失敗的數據包。
還是拿我們的“大帥”舉例。
當主帥正在大帳中看地圖，思考戰事時，外面的小兵突然喊到：大帥，不好啦，張將軍遭遇埋伏，全軍覆沒了。
這種是異常情況發起的，來報告發生了不好的事情，對應 ICMP 的差錯報文。
差錯報文有以下常用的類型：
- 3：終點不可達
- 4：源抑制
- 5：重定向
- 11：超時
第一種情況終點不可達。小兵報告，大帥，送給張將軍的糧草沒有送到。
那大帥肯定會問，爲啥沒有送到？這就對應 ICMP 中的以下代碼了。
- 網絡不可達代碼：0
- 主機不可達代碼：1
- 協議不可達：2
- 端口不可達：3
- 需要進行分片但設置了不分片：4
具體的場景就像這樣：
- 網絡不可達：大帥，找不到地方
- 主機不可達：大帥，找到地方，沒找到張將軍
- 協議不可達：大帥，找到地方，也找到人了，但是口令沒對上。
- 端口不可達：大帥，找到地方，找到了人，也對上了口令，但事情沒對上。我去送糧草，人家說在等救兵。
- 需要進行分片但設置不分片：大帥，走到一半，山路狹窄，想換瞎扯，但是出發前你下令嚴禁換小車，就沒辦法送到了。
第二種是源站抑制。也就是讓源站放慢發送速度（小兵：大帥，糧草送的太多了吃不完，你可以慢點送）。
第三種是時間超時。也就是超過網絡包的生存時間還是沒到目的地（大帥，送糧草的人都把糧食吃完了，還沒到地方，已經餓死了）。
第四種是路由重定向。也就是下次發給另一個路由器（大帥，上次送糧草的人本來只要走大王村，一公里就到了，結果非要繞道張家界，多了五公里，下次記得走大王村）。
差錯報文的結構相對複雜一些。除了前面還是 IP，ICMP 的前 8 個字節不變，後面則跟上出錯的那個 IP 包的 IP 頭和 IP 正文的前 8 個字節。
而且這類斥候特別盡責，不但字節返回來報信，還把一部分遺物帶回來。
- 斥候：大帥，張將軍已經戰死沙場，這是他的印信和佩劍。
- 大帥：張將軍是怎麼死的（可以查看 ICMP 的前 8 字節）？沒錯，這是張將軍的劍（IP 數據包的頭及正文前 8 字節）。
ping：查詢報文類型的使用
接下來，我們重點來看 ping 命令的發送和接收過程。
假定主機 A 的 IP 地址是 192.168.1.1，主機 B 的 IP 地址是 192.168.1.2，它們都在同一個子網。那麼，當在主機 A 上運行“ping 192.168.1.2” 後，會發生什麼呢？
- 源主機構建 ICMP 請求數據包。這個數據包內包含多個字段。最重要的有兩個，一個是類型字段，對應請求數據包而言，該字段爲 8。另一個是順序號，主要用於區分連續 ping 的時候發出的多個數據包。每發出一個請求數據包，順序號會自動加 1.爲了能夠計算往返時間 RTT，它會在報文的數據部分插入發送時間。
- IP 層構建 IP 數據包。ICMP 協議將數據包連同目標 IP 一起交給 IP 層，IP 層將以 192.168.1.2 作爲目的地址，本機 IP 地址作爲源地址，加上其他控制信息，構建一個 IP 數據包。
- 加入 MAC 頭。找到 192.168.1.2 對應的 MAC 地址，附加上一些控制信息，依據以太網的介質訪問規則，將它們傳送出去。
主機 B 收到數據幀後，會進行如下步驟：
- 檢查 MAC 地址，丟棄或接收數據幀，提取 IP 數據包。檢查數據包目的 MAC 地址，並與本機 MAC 地址對比。如符合，就接收數據幀，否則就丟棄。接收後檢查數據幀，將 IP 數據包從幀中提取處理，交給本機的 IP 層。
- IP 層檢查IP。檢查完成後，提取有用的信息交給 ICMP 協議。
- 構建 ICMP 應答包。應答數據包的類型字段爲 0，順序號爲接收到的請求數據包中的順序號。
- 將應答數據包發給主機 A。
在規定的時間內，源主機如果沒有接到 ICMP 的應答包，則說明目標主機不可達。
如果接收到了應打包，則說明目標主機可達。此時，源主機會檢測時間延遲。就是用當前時刻減該數據包從源主機發出去的時刻。
當然，這只是最簡單的，同個局域網的情況。如果跨網段的話，還會涉及網關的轉發、路由器的轉發等。
可以看出，ping 命令是使用了 ICMP 裏面的 ECHO REQUEST 和 ECHO REPLY 類型。
那其它類型呢？是不是隻有真正遇到錯誤的時候，才能收到？答案是否定的。有一個 Traceroute 命令，它會使用 ICMP 的規則，故意製造一些能夠產生錯誤的場景。
Traceroute：差錯報文類型的使用
Traceroute 命令有兩個比較常用的功能。
第一個功能：
通過設置特殊的 TTL，追蹤去往目的地時經過的路由器
Traceroute 的參數執行某個目的 IP 地址，會發送一個 UDP 的數據包。
將 TTL 設置成 1 時，表示這個數據包的 MP 爲 1，碰到第一個“攔路虎”（通常是路由器或一個其它類型的關卡）就會陣亡了，然後就會返回一個 ICMP 包，這個包就是 網絡差錯包，類型是時間超時。
通過差錯包，我們就能得到數據包到第一個關卡時花費的時間及其每個關卡的 IP 地址（有的主機不會響應 ICMP，所以會出現請求時全是 * 的情況）。
那怎麼知道 UDP 有沒有到達目的主機呢？Traceroute 程序會發送一份 UDP 數據包給目的主機，但它會選擇一個不可能的值作爲 UDP 端口號（大於30000）。當該數據報到達目的主機時，由於找不到對應端口號，所以會返回一個“端口不可達”的錯誤報文。這樣，我們就知道 UDP 是否到達主機了。
第二個功能：
設置數據包不分片，確定路徑的 MTU
發送分組，並設置“不分片”標誌。發送的第一個分組的長度正好與出口的 MTU 相等。如果中間遇到窄的關卡就會被卡主，返回 ICMP 網絡差錯包，類型是“需要進行分片但設置了不分片”。就這樣，每次收到ICMP“不能分片”差錯時就減小分組的長度，從而確定整個路徑中的 MTU。
總結
- ICMP 相當於網絡世界的偵察兵。常用的有兩種類型，主動探查的查詢報文和異常報告的差錯報文。
- ping 命令使用查詢報文，Traceroute 命令使用差錯報文。
參考：
- 劉超-趣談網絡協議系列課；