ICMP 协议的格式
ping 是基于 ICMP 协议工作的。ICMP全称互联网控制报文协议。这里面的关键词是“控制”，那具体是怎么控制的呢？
网络包在复杂的网络环境中传输时常常会遇到各种各样的问题。遇到问题时要传出消息，报告情况，这样才可以调整传输策略。
ICMP 报文是封装在 IP 包里面的。因为传输指令时，肯定需要源地址和目标地址。在 IP 头中如果协议类型字段的值是 1 的话，就表示 IP 数据是 ICMP 报文。
ICMP 报文有很多的类型，不同的类型有不同的代码。最常用的类型是主动请求为 8，主动请求的应答为 0。
查询报文类型
ping 就是查询报文，是一种主动请求，并且获得主动应答的 ICMP 协议。 所以，ping 发的包也是符合 ICMP 协议格式的，只不过在后面增加了自己的格式。
对 ping 的主动请求，进行网络抓包，称为ICMP ECHO REQUEST。 同理主动请求的回复，称为ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP，这里面多了两个字段，一个是标识符。这个很好理解，你派出去两队侦查兵，一队是侦查战况的，一队是去查找水源的，要有个标识才能区分。另一个是序号，你派出去的侦察兵，都要编个号。如果派出去 10 个，回来 10 个，就说明前方战况不错；如果派出去 10 个，回来 2 个，说明情况可能不妙。
在选项数据中，ping 还会存放发送请求的时间值，来计算往返时间，说明路程的长短。
差错报文类型
当然也有另外一种方式，就是差错报文。
主帅走着走着，突然来了一匹快马，上面的小兵气喘吁吁的：报告主公，不好啦！张将军遭遇埋伏，全军覆没啦！这种是异常情况发起的，来报告发生了不好的事情，对应 ICMP 的差错报文类型。
举几个 ICMP 差错报文的例子：终点不可达为 3，源抑制为 4，超时为 11，重定向为 5。
第一种是终点不可达。小兵：报告主公，您让把粮草送到张将军那里，结果没有送到。
如果你是主公，你肯定会问，为啥送不到？具体的原因在代码中表示就是，网络不可达代码为 0，主机不可达代码为 1，协议不可达代码为 2，端口不可达代码为 3，需要进行分片但设置了不分片位代码为 4。
具体的场景就像这样：
- 网络不可达：找不到地方呀？
- 主机不可达：找到地方没这个人呀？
- 协议不可达：找到地方，找到人，口号没对上，人家天王盖地虎，我说 12345！
- 端口不可达：找到地方，找到人，对了口号，事儿没对上，我去送粮草，人家说他们在等救兵。
- 需要进行分片但设置了不分片位：走到一半山路狭窄，想换小车，但是您的将令，严禁换小车，就没办法送到了。
第二种是源站抑制，也就是让源站放慢发送速度。小兵：报告主公，您粮草送的太多了吃不完。
第三种是时间超时，也就是超过网络包的生存时间还是没到。小兵：报告主公，送粮草的人，自己把粮草吃完了，还没找到地方，已经饿死啦。
第四种是路由重定向，也就是让下次发给另一个路由器。小兵：报告主公，上次送粮草的人本来只要走一站地铁，非得从五环绕，下次别这样了啊。
差错报文的结构相对复杂一些。除了前面还是 IP，ICMP 的前 8 字节不变，后面则跟上出错的那个 IP 包的 IP 头和 IP 正文的前 8 个字节。
ping：查询报文类型的使用
接下来，我们重点来看 ping 的发送和接收过程。
假定主机 A 的 IP 地址是 192.168.1.1，主机 B 的 IP 地址是 192.168.1.2，它们都在同一个子网。在 A 上运行“ping 192.168.1.2”后，会发生什么呢?
ping 命令执行时，源主机先构建一个 ICMP 请求数据包，ICMP 数据包内包含多个字段。最重要的是两个，第一个是类型字段，对于请求数据包而言该字段为 8；另外一个是顺序号，主要用于区分连续 ping 时发出的多个数据包。每发出一个请求数据包，顺序号会自动加 1。为了能够计算往返时间 RTT，它会在报文的数据部分插入发送时间。
然后，由 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 地址作为源地址，加上一些其他控制信息，构建一个 IP 数据包。
接下来加入 MAC 头。如果在 ARP 表中查找出 192.168.1.2 对应的 MAC 地址，则直接使用；如果没有，则需要发送 ARP 协议查询 MAC 地址，获得 MAC 地址后，由数据链路层构建一个数据帧，目的地址是 IP 层传过来的 MAC 地址，源地址则是本机的 MAC 地址；还要附加上一些控制信息，依据以太网的介质访问规则，将它们传送出去。
B 收到数据帧后，先检查目的 MAC 地址和本机对比，符合则接收。接收后检查数据帧，将 IP 数据包从帧中提取出交给本机的 IP 层。同样，IP 层检查后，将有用的信息提取后交给 ICMP 协议。
B 构建一个 ICMP 应答包，应答数据包的类型字段为 0，顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号，发送给 A。
在规定的时候间内，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 应答包，则说明目标主机可达。此时，源主机会检查，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。
这只是最简单的。如果跨网段还会涉及网关的转发、路由器的转发等等。但是对于 ICMP 的头来讲，是没什么影响的。会影响的是根据目标 IP 地址，选择路由的下一跳，还有每经过一个路由器到达一个新的局域网，需要换 MAC 头里面的 MAC 地址。
Traceroute：差错报文类型的使用
那其他的类型呢？是不是只有真正遇到错误时，才能收到呢？那也不是，有一个程序 Traceroute，是个“大骗子”。它会使用 ICMP 的规则，故意制造一些能够产生错误的场景。
Traceroute 的第一个作用就是故意设置特殊的 TTL，来追踪去往目的地时沿途经过的路由器。Traceroute 的参数指向某个目的 IP 地址，它会发送一个 UDP 的数据包。将 TTL 设置成 1，也就是说一旦遇到一个路由器或者一个关卡，就表示它“牺牲”了。
接下来，将 TTL 设置为 2。第一关过了，第二关就“牺牲”了，那我就知道第二关有多远。如此反复，直到到达目的主机。这样，Traceroute 就拿到了所有的路由器 IP。当然，有的路由器压根不会回这个 ICMP。
怎么知道 UDP 有没有到达目的主机呢？Traceroute 程序会发送一份 UDP 数据报给目的主机，但它会选择一个不可能的值作为 UDP 端口号（大于 30000）。当该数据报到达时，将使目的主机的 UDP 模块产生一份“端口不可达”错误 ICMP 报文。如果数据报没有到达，则可能是超时。
Traceroute 还有一个作用是故意设置不分片，从而确定路径的 MTU。 要做的工作首先是发送分组，并设置“不分片”标志。发送的第一个分组的长度正好与出口 MTU 相等。如果中间遇到窄的关口会被卡住，会发送 ICMP 网络差错包，类型为“需要进行分片但设置了不分片位”。其实，这是人家故意的好吧，每次收到 ICMP“不能分片”差错时就减小分组的长度，直到到达目标主机。
