本文引用了公眾號純潔的微笑作者奎哥的技術(shù)文章，感謝原作者的分享。
1、前言
老于網(wǎng)絡(luò)編程熟手來說，在測試和部署網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用（比如IM聊天、實(shí)時音視頻等）時，如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接超時，第一時間想到的就是使用Ping命令Ping一下服務(wù)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(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行長測（比如：《兩款增強(qiáng)型Ping工具：持續(xù)統(tǒng)計、圖形化展式網(wǎng)絡(luò)狀況 [附件下載]》、《網(wǎng)絡(luò)測試：Android版多路ping命令工具EnterprisePing[附件下載]》），可以得出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通信的網(wǎng)絡(luò)延遲、網(wǎng)絡(luò)丟包率、網(wǎng)絡(luò)抖動等等有價值信息。
Ping命令很簡單，但作為為數(shù)不多的網(wǎng)絡(luò)檢測工具，卻非常有用，是開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用時最常用到的命令。雖然“Ping”這個動作這么簡單，但你知道Ping命令背后后的邏輯嗎？這就是本文要告訴你！
學(xué)習(xí)交流：
- 即時通訊開發(fā)交流3群：185926912 [推薦]
- 移動端IM開發(fā)入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發(fā)移動端IM》
（本文同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-1973-1-1.html）
2、系列文章
本文是系列文章中的第5篇，本系列大綱如下：
《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(一)：跟著動畫來學(xué)TCP三次握手和四次揮手》
《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(二)：我們在讀寫Socket時，究竟在讀寫什么？》
《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(三)：HTTP協(xié)議必知必會的一些知識》
《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(四)：快速理解HTTP/2的服務(wù)器推送(Server Push)》
《腦殘式網(wǎng)絡(luò)編程入門(五)：每天都在用的Ping命令，它到底是什么？》（本文）
3、Ping命令的作用和原理
簡單來說，「ping」是用來探測本機(jī)與網(wǎng)絡(luò)中另一主機(jī)之間是否可達(dá)的命令，如果兩臺主機(jī)之間ping不通，則表明這兩臺主機(jī)不能建立起連接。ping是定位網(wǎng)絡(luò)通不通的一個重要手段。
ping 命令是基于 ICMP 協(xié)議來工作的，「 ICMP 」全稱為 Internet 控制報文協(xié)議（Internet Control Message Protocol）。ping 命令會發(fā)送一份ICMP回顯請求報文給目標(biāo)主機(jī)，并等待目標(biāo)主機(jī)返回ICMP回顯應(yīng)答。因?yàn)镮CMP協(xié)議會要求目標(biāo)主機(jī)在收到消息之后，必須返回ICMP應(yīng)答消息給源主機(jī)，如果源主機(jī)在一定時間內(nèi)收到了目標(biāo)主機(jī)的應(yīng)答，則表明兩臺主機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)是可達(dá)的。
舉一個例子來描述「ping」命令的工作過程：
1）假設(shè)有兩個主機(jī)，主機(jī)A（192.168.0.1）和主機(jī)B（192.168.0.2），現(xiàn)在我們要監(jiān)測主機(jī)A和主機(jī)B之間網(wǎng)絡(luò)是否可達(dá)，那么我們在主機(jī)A上輸入命令：ping 192.168.0.2；
2）此時，ping命令會在主機(jī)A上構(gòu)建一個 ICMP的請求數(shù)據(jù)包（數(shù)據(jù)包里的內(nèi)容后面再詳述），然后 ICMP協(xié)議會將這個數(shù)據(jù)包以及目標(biāo)IP（192.168.0.2）等信息一同交給IP層協(xié)議；
3）IP層協(xié)議得到這些信息后，將源地址（即本機(jī)IP）、目標(biāo)地址（即目標(biāo)IP：192.168.0.2）、再加上一些其它的控制信息，構(gòu)建成一個IP數(shù)據(jù)包；
4）IP數(shù)據(jù)包構(gòu)建完成后，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(biāo)IP所對應(yīng)的MAC地址。當(dāng)拿到了目標(biāo)主機(jī)的MAC地址和本機(jī)MAC后，一并交給數(shù)據(jù)鏈路層，組裝成一個數(shù)據(jù)幀，依據(jù)以太網(wǎng)的介質(zhì)訪問規(guī)則，將它們傳送出出去；
5）當(dāng)主機(jī)B收到這個數(shù)據(jù)幀之后，會首先檢查它的目標(biāo)MAC地址是不是本機(jī)，如果是就接收下來處理，接收之后會檢查這個數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀中的IP數(shù)據(jù)包取出來，交給本機(jī)的IP層協(xié)議，然后IP層協(xié)議檢查完之后，再將ICMP數(shù)據(jù)包取出來交給ICMP協(xié)議處理，當(dāng)這一步也處理完成之后，就會構(gòu)建一個ICMP應(yīng)答數(shù)據(jù)包，回發(fā)給主機(jī)A；
6）在一定的時間內(nèi)，如果主機(jī)A收到了應(yīng)答包，則說明它與主機(jī)B之間網(wǎng)絡(luò)可達(dá)，如果沒有收到，則說明網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)。除了監(jiān)測是否可達(dá)以外，還可以利用應(yīng)答時間和發(fā)起時間之間的差值，計算出數(shù)據(jù)包的延遲耗時。
通過ping的流程可以發(fā)現(xiàn)，ICMP協(xié)議是這個過程的基礎(chǔ)，是非常重要的，下面的章節(jié)會把ICMP協(xié)議再詳細(xì)解釋一下，請繼續(xù)往下讀。
4、正確理解ICMP協(xié)議
Ping命令所基于的ICMP協(xié)議所處的網(wǎng)絡(luò)模型層級：
（▲ 上圖來自《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議關(guān)系圖（中文珍藏版）[附件下載]》，您可下載此圖的完整清晰版）
Ping命令這么簡單，在任何系統(tǒng)上上手就能使用，很多人可能想當(dāng)然的認(rèn)為Ping命令使用的ICMP協(xié)議應(yīng)該是基于傳輸層的TCP或UDP協(xié)議的吧。
正如上圖所示，ICMP協(xié)議既不是基于TCP，也不是基于UDP，而是直接基于網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議，在整個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中屬于相當(dāng)?shù)讓拥膮f(xié)議了。這也從側(cè)面證明了它的重要性，因?yàn)楦鶕?jù)ICMP的RFC手冊規(guī)定：ICMP協(xié)議是任何支持IP協(xié)議的系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的，沒有余地。而IP協(xié)議是整個互聯(lián)網(wǎng)的基石，ICMP協(xié)議雖簡單，但重要性不言而喻。
所以，以后面視的時候，如果碰到“ICMP協(xié)議是基于什么實(shí)現(xiàn)的？”這樣的問題，請一定要記往此節(jié)所講的內(nèi)容。
5、深入ICMP協(xié)議
我們知道，ping命令是基于ICMP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)的。那么我們再來看下圖，就明白了ICMP協(xié)議又是通過IP協(xié)議來發(fā)送的，即ICMP報文是封裝在IP包中（如下圖所示）。
IP協(xié)議是一種無連接的，不可靠的數(shù)據(jù)包協(xié)議，它并不能保證數(shù)據(jù)一定被送達(dá)，那么我們要保證數(shù)據(jù)送到就需要通過其它模塊來協(xié)助實(shí)現(xiàn)，這里就引入的是ICMP協(xié)議。
當(dāng)傳送的IP數(shù)據(jù)包發(fā)送異常的時候，ICMP就會將異常信息封裝在包內(nèi)，然后回傳給源主機(jī)。
將上圖再細(xì)拆一下可見：
繼續(xù)將ICMP協(xié)議模塊細(xì)拆:
由圖可知，ICMP數(shù)據(jù)包由8bit的類型字段和8bit的代碼字段以及16bit的校驗(yàn)字段再加上選項(xiàng)數(shù)據(jù)組成。
ICMP協(xié)議大致可分為兩類：
1）查詢報文類型；
2）差錯報文類型。
【關(guān)于查詢報文類型】：
查詢報文主要應(yīng)用于：ping查詢、子網(wǎng)掩碼查詢、時間戳查詢等等。
上面講到的ping命令的流程其實(shí)就對應(yīng)ICMP協(xié)議查詢報文類型的一種使用。在主機(jī)A構(gòu)建ICMP請求數(shù)據(jù)包的時候，其ICMP的類型字段中使用的是 8 （回送請求），當(dāng)主機(jī)B構(gòu)建ICMP應(yīng)答包的時候，其ICMP類型字段就使用的是 0 （回送應(yīng)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，這里就不做贅述。
【關(guān)于差錯報文類型】：
差錯報文主要產(chǎn)生于當(dāng)數(shù)據(jù)傳送發(fā)送錯誤的時候。
它包括：目標(biāo)不可達(dá)（網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)、主機(jī)不可達(dá)、協(xié)議不可達(dá)、端口不可達(dá)、禁止分片等）、超時、參數(shù)問題、重定向（網(wǎng)絡(luò)重定向、主機(jī)重定向等）等等。
差錯報文通常包含了引起錯誤的IP數(shù)據(jù)包的第一個分片的IP首部，加上該分片數(shù)據(jù)部分的前8個字節(jié)。
當(dāng)傳送IP數(shù)據(jù)包發(fā)生錯誤的時候（例如 主機(jī)不可達(dá)），ICMP協(xié)議就會把錯誤信息封包，然后傳送回源主機(jī)，那么源主機(jī)就知道該怎么處理了。
6、ICMP差錯報文的妙用
正如上一節(jié)所介紹的那樣，ICMP協(xié)議主要有：查詢報文類型和差錯報文類型兩種。對于差錯報文來說，是不是只有遇到錯誤的時候才能使用呢？不是！
基于這個特性，Linux下的Traceroute指令（Windows下的對等指令是tracert）利于ICMP的差錯報文可以實(shí)現(xiàn)遍歷到數(shù)據(jù)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(guān)于traceroute命令的用途：
traceroute (Windows 系統(tǒng)下是tracert) 命令利用ICMP 協(xié)議定位您的計算機(jī)和目標(biāo)計算機(jī)之間的所有路由器。TTL 值可以反映數(shù)據(jù)包經(jīng)過的路由器或網(wǎng)關(guān)的數(shù)量，通過操縱獨(dú)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(shù)據(jù)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(jī)到目標(biāo)主機(jī)之間所經(jīng)過路由情況的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的規(guī)則，制造一些錯誤的事件出來，然后根據(jù)錯誤的事件來評估網(wǎng)絡(luò)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(shè)置特殊的TTL值，來追蹤源主機(jī)和目標(biāo)主機(jī)之間的路由數(shù)。首先它給目標(biāo)主機(jī)發(fā)送一個 TTL=1 的UDP數(shù)據(jù)包，那么這個數(shù)據(jù)包一旦在路上遇到一個路由器，TTL就變成了0（TTL規(guī)則是每經(jīng)過一個路由器都會減1），因?yàn)門TL=0了，所以路由器就會把這個數(shù)據(jù)包丟掉，然后產(chǎn)生一個錯誤類型（超時）的ICMP數(shù)據(jù)包回發(fā)給源主機(jī)，也就是差錯包。這個時候源主機(jī)就拿到了第一個路由節(jié)點(diǎn)的IP和相關(guān)信息了；
2）接著，源主機(jī)再給目標(biāo)主機(jī)發(fā)一個 TTL=2 的UDP數(shù)據(jù)包，依舊上述流程走一遍，就知道第二個路由節(jié)點(diǎn)的IP和耗時情況等信息了；
3）如此反復(fù)進(jìn)行，Traceroute就可以拿到從主機(jī)A到主機(jī)B之間所有路由器的信息了。
但是有個問題是，如果數(shù)據(jù)包到達(dá)了目標(biāo)主機(jī)的話，即使目標(biāo)主機(jī)接收到TTL值為1的IP數(shù)據(jù)包，它也是不會丟棄該數(shù)據(jù)包的，也不會產(chǎn)生一份超時的ICMP回發(fā)數(shù)據(jù)包的，因?yàn)閿?shù)據(jù)包已經(jīng)達(dá)到了目的地嘛。那我們應(yīng)該怎么認(rèn)定數(shù)據(jù)包是否達(dá)到了目標(biāo)主機(jī)呢？
Traceroute的方法是在源主機(jī)發(fā)送UDP數(shù)據(jù)包給目標(biāo)主機(jī)的時候，會設(shè)置一個不可能達(dá)到的目標(biāo)端口號（例如大于30000的端口號），那么當(dāng)這個數(shù)據(jù)包真的到達(dá)目標(biāo)主機(jī)的時候，目標(biāo)主機(jī)發(fā)現(xiàn)沒有對應(yīng)的端口號，因此會產(chǎn)生一份“端口不可達(dá)”的錯誤ICMP報文返回給源主機(jī)。
可見Traceroute的原理確實(shí)很取巧，很有趣。如您對Traceroute感興趣，可以深入讀一讀《從Traceroute看網(wǎng)絡(luò)問題》一文。
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