ICMP协议及应用实例（ping，traceroute）

ICMP协议

在互联网传输过程中，IP数据报难免会出现差错，通常出现差错，处理方法就是丢弃，但是有很多情况出现差错后，会发送ICMP报文给主机，告诉它一些差错信息，以及对当前的网络状态进行一个探寻。可以说，ICMP的主要目的是用于在TCP/IP网络中发送出错和控制消息。ICMP报文封装如下：

主要ICMP报文

ICMP报文主要分三类，即差错报告报文、控制报文、请求/应答报文，如下图所示：

目的不可达(Destination Unreachable Message)

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Type      |     Code      |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             unused                            |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |      Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

当路由器收到一个无法传递下去的IP报文时，会发送ICMP目的不可达报文（Type为3）给IP报文的源发送方。报文中的Code就表示发送失败的原因。

超时(Time Exceeded Message)

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Type      |     Code      |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             unused                            |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |      Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

网络传输IP数据报的过程中，如果IP数据包的TTL值逐渐递减为0时，需要丢弃数据报。这时，路由器需要向源发送方发送ICMP超时报文(Type为11)，Code为0，表示传输过程中超时了。

一个IP数据报可能会因为过大而被分片，然后在目的主机侧把所有的分片重组。如果主机迟迟没有等到所有的分片报文，就会向源发送方发送一个ICMP超时报文，Code为1，表示分片重组超时了。

参数错误报文(Parameter Problem Message)

   0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Type      |     Code      |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |    Pointer    |                   unused                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |      Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

当路由器或主机处理数据报时，发现因为报文头的参数错误而不得不丢弃报文时，需要向源发送方发送参数错误报文(Type为12)。当Code为0时，报文中的Pointer表示错误的字节位置。

源抑制(Source Quench Message)

   0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Type      |     Code      |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             unused                            |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |      Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

路由器在处理报文时会有一个缓存队列。如果超过最大缓存队列，将无法处理，从而丢弃报文。并向源发送方发一个ICMP源抑制报文(Type为4)，告诉对方降低发送速率。

重定向(Redirect Message)

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Type      |     Code      |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                 Gateway Internet Address                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |      Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

当路由收到IP数据报，发现数据报的目的地址在路由表上没有，它就会发ICMP重定向报文(Type为5)给源发送方，提醒它想要发送的地址不在，去其他地方找找吧。

请求回显或回显应答(Echo or Echo Reply Message)

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Type      |     Code      |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Identifier          |        Sequence Number        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Data ...
   +-+-+-+-+-

Type(8)是请求回显报文(Echo)；Type(0)是回显应答报文(Echo Reply)。

请求回显或回显应答报文属于查询报文。Ping就是用这种报文进行查询和回应。

信息请求或信息响应(Information Request or Information Reply Message)

 0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |     Type      |      Code     |          Checksum             |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Identifier          |        Sequence Number        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

这种报文是用来找出一个主机所在的网络个数（一个主机可能会在多个网络中）。报文的IP消息头的目的地址会填为全0，表示this，源地址会填为源IP所在的网络IP。

最后，补充一张ICMP报文类型码表：

更多可参考协议文档

几种不发送 ICMP差错报告报文的特殊情况

在有些情况下，为了防止在网络中产生大量的ICMP差错报文（广播风暴），影响网络的正常工作，即使发生差错，也不会产生ICMP差错报文，这些情况包括：

对ICMP差错报告报文不再发送 ICMP差错报告报文
除第1个IP数据报分片外，对所有后续分片均不发送ICMP差错报告报文
对所有多播IP数据报均不发送 ICMP差错报告报文
对具有特殊地址（如127.0.0.0 或 0.0.0.0）的IP数据报不发送ICMP 差错报告报文

ICMP应用实例——Ping

Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。

Ping的完整工作流程： Ping本质上是ICMP数据包，所以其工作流程就是ICMP数据包的发送与解析流程。大致流程如下：构造ICMP数据包-->构造IP数据包-->构造以太网数据帧----物理传输到目标主机---->获取以太网数据帧-->解析出IP数据包-->解析出ICMP数据包-->发送回送应答报文

本地主机处理流程：

在本地，ping命令会构建一个ICMP数据包（构造回送请求报文）
将该ICMP数据包和目标IP地址给IP协议，IP协议将本地地址作为源地址，与目的地址等构造IP数据包
根据本地ARP缓存查找目的地址IP对应的MAC地址，如果缓存中没有则通过ARP协议找到对应IP的MAC地址。将MAC地址交给数据链路层以构造数据帧
经物理层发送给目的主机

目的主机处理流程：

目的主机接收到数据包
物理层接收到二进制数据流经数据链路层，按照以太网协议解析出数据帧，如果数据帧中的目标MAC地址与本机MAC地址相同，则接收该数据包，否则丢弃该数据包。
接收到该数据包之后，经网络层解析出IP数据包，通过IP包头中的协议字段判断出是ICMP数据包。之后解析出ICMP数据包，发现是回送请求报文（ping request）后马上构建一个ICMP回送应答报文（ping reply）
将封装好的ICMP数据包经网络层、数据链路层、物理层发送回源主机

所以，Ping的本质其实就是ICMP回送请求报文和回送应答报文。我们可通过Wireshark抓包工具对Ping进行分析。使用ping命令：

本机会向远端主机发送ICMP回送请求报文。

远端主机收到后会发送回送应答报文：

在这里补充一张IP数据报格式图：

ICMP应用实例——Traceroute

Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。有2种实现方案：基于UDP实现和基于ICMP实现。

基于UDP实现traceroute工作原理

在基于UDP的实现中，客户端发送的数据包是通过UDP协议来传输的，使用了一个大于30000的端口号，服务器在收到这个数据包的时候会返回一个端口不可达的ICMP错误信息，客户端通过判断收到的错误信息是TTL超时还是端口不可达来判断数据包是否到达目标主机。流程如下：

源主机向目的主机发送一连串的 IP 数据报（UDP报文）。第一个数据报 P1 的生存时间 TTL 设置为 1，当 P1 到达路径上的第一个路由器 R1 时，R1 收下它并把 TTL 减 1，此时 TTL 等于 0，R1 就把 P1 丢弃，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报告报文；
源主机接着发送第二个数据报 P2，并把 TTL 设置为 2。P2 先到达 R1，R1 收下后把 TTL 减 1 再转发给 R2，R2 收下后也把 TTL 减 1，由于此时 TTL 等于 0，R2 就丢弃 P2，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报文。
不断执行这样的步骤，直到最后一个数据报刚刚到达目的主机，主机不转发数据报，也不把 TTL 值减 1。但是因为数据报封装的是无法交付的 UDP，因此目的主机要向源主机发送 ICMP 终点不可达差错报告报文。
之后源主机知道了到达目的主机所经过的路由器 IP 地址以及到达每个路由器的往返时间。

Linux中的traceroute就是这种实现方式。

基于ICMP实现的tracert工作原理

在这一种实现中我们不使用UDP协议，而是直接发送一个ICMP回显请求（echo request）数据包，服务器在收到回显请求的时候会向客户端发送一个ICMP回显应答（echo reply）数据包。流程与上面相似，只是最后判断结束上为目标主机（而不是中间经过的主机或路由器）返回一个ICMP回显应答，则结束。

Windows中的tracert就是这种实现方式。利用Wireshark分析如下：在cmd下输入tracert www.baidu.com：

每一跳默认发送三个数据包，我们会看到下面这样的输出：

可以看到TTL逐个递增，并且最终到达目的主机180.97.33.107，到达目的主机，目的主机回复，终止。

参考文档：
以太网帧格式、IP数据报格式、TCP段格式+UDP段格式详解
 www.rfc-editor.org/rfc/rfc792.…

关注微信公众号，每天进步一点点！