每天都在用的Ping命令，它到底是什麼？

Mac 筆記本電腦通信技術 cpp軟件架構獅 2018-12-14

本文引用了公眾號純潔的微笑作者奎哥的技術文章，感謝原作者的分享。

1、前言

老於網絡編程熟手來說，在測試和部署網絡通信應用（比如IM聊天、實時音視頻等）時，如果發現網絡連接超時，第一時間想到的就是使用Ping命令Ping一下服務器看看通不通。甚至在有些情況下通過圖形化的Ping命令工具對目標網絡進行長測（比如：《兩款增強型Ping工具：持續統計、圖形化展式網絡狀況 [附件下載]》、《網絡測試：Android版多路ping命令工具EnterprisePing[附件下載]》），可以得出當前網絡通信的網絡延遲、網絡丟包率、網絡抖動等等有價值信息。

Ping命令很簡單，但作為為數不多的網絡檢測工具，卻非常有用，是開發網絡應用時最常用到的命令。雖然“Ping”這個動作這麼簡單，但你知道Ping命令背後後的邏輯嗎？這就是本文要告訴你！

3、Ping命令的作用和原理

簡單來說，「ping」是用來探測本機與網絡中另一主機之間是否可達的命令，如果兩臺主機之間ping不通，則表明這兩臺主機不能建立起連接。ping是定位網絡通不通的一個重要手段。

ping 命令是基於 ICMP 協議來工作的，「 ICMP 」全稱為 Internet 控制報文協議（Internet Control Message Protocol）。ping 命令會發送一份ICMP回顯請求報文給目標主機，並等待目標主機返回ICMP回顯應答。因為ICMP協議會要求目標主機在收到消息之後，必須返回ICMP應答消息給源主機，如果源主機在一定時間內收到了目標主機的應答，則表明兩臺主機之間網絡是可達的。

舉一個例子來描述「ping」命令的工作過程：

1）假設有兩個主機，主機A（192.168.0.1）和主機B（192.168.0.2），現在我們要監測主機A和主機B之間網絡是否可達，那麼我們在主機A上輸入命令：ping 192.168.0.2；
2）此時，ping命令會在主機A上構建一個 ICMP的請求數據包（數據包裡的內容後面再詳述），然後 ICMP協議會將這個數據包以及目標IP（192.168.0.2）等信息一同交給IP層協議；
3）IP層協議得到這些信息後，將源地址（即本機IP）、目標地址（即目標IP：192.168.0.2）、再加上一些其它的控制信息，構建成一個IP數據包；
4）IP數據包構建完成後，還不夠，還需要加上MAC地址，因此，還需要通過ARP映射表找出目標IP所對應的MAC地址。當拿到了目標主機的MAC地址和本機MAC後，一併交給數據鏈路層，組裝成一個數據幀，依據以太網的介質訪問規則，將它們傳送出出去；
5）當主機B收到這個數據幀之後，會首先檢查它的目標MAC地址是不是本機，如果是就接收下來處理，接收之後會檢查這個數據幀，將數據幀中的IP數據包取出來，交給本機的IP層協議，然後IP層協議檢查完之後，再將ICMP數據包取出來交給ICMP協議處理，當這一步也處理完成之後，就會構建一個ICMP應答數據包，回發給主機A；
6）在一定的時間內，如果主機A收到了應答包，則說明它與主機B之間網絡可達，如果沒有收到，則說明網絡不可達。除了監測是否可達以外，還可以利用應答時間和發起時間之間的差值，計算出數據包的延遲耗時。

通過ping的流程可以發現，ICMP協議是這個過程的基礎，是非常重要的，下面的章節會把ICMP協議再詳細解釋一下，請繼續往下讀。

4、正確理解ICMP協議

Ping命令所基於的ICMP協議所處的網絡模型層級：

（▲ 上圖來自《計算機網絡通訊協議關係圖（中文珍藏版）[附件下載]》，您可下載此圖的完整清晰版）

Ping命令這麼簡單，在任何系統上上手就能使用，很多人可能想當然的認為Ping命令使用的ICMP協議應該是基於傳輸層的TCP或UDP協議的吧。

正如上圖所示，ICMP協議既不是基於TCP，也不是基於UDP，而是直接基於網絡層的IP協議，在整個網絡協議棧中屬於相當底層的協議了。這也從側面證明了它的重要性，因為根據ICMP的RFC手冊規定：ICMP協議是任何支持IP協議的系統必須實現的，沒有餘地。而IP協議是整個互聯網的基石，ICMP協議雖簡單，但重要性不言而喻。

所以，以後面視的時候，如果碰到“ICMP協議是基於什麼實現的？”這樣的問題，請一定要記往此節所講的內容。

5、深入ICMP協議

我們知道，ping命令是基於ICMP協議來實現的。那麼我們再來看下圖，就明白了ICMP協議又是通過IP協議來發送的，即ICMP報文是封裝在IP包中（如下圖所示）。

IP協議是一種無連接的，不可靠的數據包協議，它並不能保證數據一定被送達，那麼我們要保證數據送到就需要通過其它模塊來協助實現，這裡就引入的是ICMP協議。

當傳送的IP數據包發送異常的時候，ICMP就會將異常信息封裝在包內，然後回傳給源主機。

將上圖再細拆一下可見：

繼續將ICMP協議模塊細拆:

由圖可知，ICMP數據包由8bit的類型字段和8bit的代碼字段以及16bit的校驗字段再加上選項數據組成。

ICMP協議大致可分為兩類：

1）查詢報文類型；
2）差錯報文類型。

【關於查詢報文類型】：

查詢報文主要應用於：ping查詢、子網掩碼查詢、時間戳查詢等等。

上面講到的ping命令的流程其實就對應ICMP協議查詢報文類型的一種使用。在主機A構建ICMP請求數據包的時候，其ICMP的類型字段中使用的是 8 （回送請求），當主機B構建ICMP應答包的時候，其ICMP類型字段就使用的是 0 （回送應答），更多類型值參考上表。

對查詢報文類型的理解可參考一下文章最開始講的ping流程，這裡就不做贅述。

【關於差錯報文類型】：

差錯報文主要產生於當數據傳送發送錯誤的時候。

它包括：目標不可達（網絡不可達、主機不可達、協議不可達、端口不可達、禁止分片等）、超時、參數問題、重定向（網絡重定向、主機重定向等）等等。

差錯報文通常包含了引起錯誤的IP數據包的第一個分片的IP首部，加上該分片數據部分的前8個字節。

當傳送IP數據包發生錯誤的時候（例如主機不可達），ICMP協議就會把錯誤信息封包，然後傳送回源主機，那麼源主機就知道該怎麼處理了。

6、ICMP差錯報文的妙用

正如上一節所介紹的那樣，ICMP協議主要有：查詢報文類型和差錯報文類型兩種。對於差錯報文來說，是不是隻有遇到錯誤的時候才能使用呢？不是！

基於這個特性，Linux下的Traceroute指令（Windows下的對等指令是tracert）利於ICMP的差錯報文可以實現遍歷到數據包傳輸路徑上的所有路由器！這真是個有用的命令！

百度百科上關於traceroute命令的用途：

traceroute (Windows 系統下是tracert) 命令利用ICMP 協議定位您的計算機和目標計算機之間的所有路由器。TTL 值可以反映數據包經過的路由器或網關的數量，通過操縱獨立ICMP 呼叫報文的TTL 值和觀察該報文被拋棄的返回信息，traceroute命令能夠遍歷到數據包傳輸路徑上的所有路由器。

ICMP的差錯報文的使用，使得Traceroute成為用來偵測源主機到目標主機之間所經過路由情況的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的規則，製造一些錯誤的事件出來，然後根據錯誤的事件來評估網絡路由情況。

traceroute的基本原理如下圖所示：

具體做法就是：

1）Traceroute會設置特殊的TTL值，來追蹤源主機和目標主機之間的路由數。首先它給目標主機發送一個 TTL=1 的UDP數據包，那麼這個數據包一旦在路上遇到一個路由器，TTL就變成了0（TTL規則是每經過一個路由器都會減1），因為TTL=0了，所以路由器就會把這個數據包丟掉，然後產生一個錯誤類型（超時）的ICMP數據包回發給源主機，也就是差錯包。這個時候源主機就拿到了第一個路由節點的IP和相關信息了；
2）接著，源主機再給目標主機發一個 TTL=2 的UDP數據包，依舊上述流程走一遍，就知道第二個路由節點的IP和耗時情況等信息了；
3）如此反覆進行，Traceroute就可以拿到從主機A到主機B之間所有路由器的信息了。

但是有個問題是，如果數據包到達了目標主機的話，即使目標主機接收到TTL值為1的IP數據包，它也是不會丟棄該數據包的，也不會產生一份超時的ICMP回發數據包的，因為數據包已經達到了目的地嘛。那我們應該怎麼認定數據包是否達到了目標主機呢？

Traceroute的方法是在源主機發送UDP數據包給目標主機的時候，會設置一個不可能達到的目標端口號（例如大於30000的端口號），那麼當這個數據包真的到達目標主機的時候，目標主機發現沒有對應的端口號，因此會產生一份“端口不可達”的錯誤ICMP報文返回給源主機。