ping 命令的作用和原理

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我们在遇到网络不通的情况，大家都知道去 ping 一下，看一下网络状况。

那你知道「ping」命令后背的逻辑是什么吗？知道它是如何实现的吗？

一、「ping」命令的作用和原理？

简单来说，「ping」是用来探测本机与网络中另一主机之间是否可达的命令，如果两台主机之间ping不通，则表明这两台主机不能建立起连接。ping是定位网络通不通的一个重要手段。

ping 命令是基于 ICMP 协议来工作的，「 ICMP 」全称为 Internet 控制报文协议（ Internet Control Message Protocol）。ping 命令会发送一份ICMP回显请求报文给目标主机，并等待目标主机返回ICMP回显应答。因为ICMP协议会要求目标主机在收到消息之后，必须返回ICMP应答消息给源主机，如果源主机在一定时间内收到了目标主机的应答，则表明两台主机之间网络是可达的。

举一个例子来描述「ping」命令的工作过程：

假设有两个主机，主机A（192.168.0.1）和主机B（192.168.0.2），现在我们要监测主机A和主机B之间网络是否可达，那么我们在主机A上输入命令：ping 192.168.0.2
此时，ping命令会在主机A上构建一个 ICMP的请求数据包（数据包里的内容后面再详述），然后 ICMP协议会将这个数据包以及目标IP（192.168.0.2）等信息一同交给IP层协议。
IP层协议得到这些信息后，将源地址（即本机IP）、目标地址（即目标IP：192.168.0.2）、再加上一些其它的控制信息，构建成一个IP数据包。
IP数据包构建完成后，还不够，还需要加上MAC地址，因此，还需要通过ARP映射表找出目标IP所对应的MAC地址。当拿到了目标主机的MAC地址和本机MAC后，一并交给数据链路层，组装成一个数据帧，依据以太网的介质访问规则，将它们传送出出去。
当主机B收到这个数据帧之后，会首先检查它的目标MAC地址是不是本机，如果是就接收下来处理，接收之后会检查这个数据帧，将数据帧中的IP数据包取出来，交给本机的IP层协议，然后IP层协议检查完之后，再将ICMP数据包取出来交给ICMP协议处理，当这一步也处理完成之后，就会构建一个ICMP应答数据包，回发给主机A
在一定的时间内，如果主机A收到了应答包，则说明它与主机B之间网络可达，如果没有收到，则说明网络不可达。除了监测是否可达以外，还可以利用应答时间和发起时间之间的差值，计算出数据包的延迟耗时。

通过ping的流程可以发现，ICMP协议是这个过程的基础，是非常重要的，因此下面就把ICMP协议再详细解释一下。

二、什么是「 ICMP 」？

我们知道，ping命令是基于ICMP协议来实现的。那么我们再来看下图，就明白了ICMP协议又是通过IP协议来发送的，即ICMP报文是封装在IP包中。

IP协议是一种无连接的，不可靠的数据包协议，它并不能保证数据一定被送达，那么我们要保证数据送到就需要通过其它模块来协助实现，这里就引入的是ICMP协议。

当传送的IP数据包发送异常的时候，ICMP就会将异常信息封装在包内，然后回传给源主机。

将上图再细拆一下可见：

继续将ICMP协议模块细拆:

由图可知，ICMP数据包由8bit的类型字段和8bit的代码字段以及16bit的校验字段再加上选项数据组成。

ICMP协议大致可分为两类：

查询报文类型
差错报文类型

查询报文类型：

查询报文主要应用于：ping查询、子网掩码查询、时间戳查询等等。

上面讲到的ping命令的流程其实就对应ICMP协议查询报文类型的一种使用。在主机A构建ICMP请求数据包的时候，其ICMP的类型字段中使用的是 8 （回送请求），当主机B构建ICMP应答包的时候，其ICMP类型字段就使用的是 0 （回送应答），更多类型值参考上表。

对 查询报文类型 的理解可参考一下文章最开始讲的ping流程，这里就不做赘述。

差错报文类型：

差错报文主要产生于当数据传送发送错误的时候。

它包括：目标不可达（网络不可达、主机不可达、协议不可达、端口不可达、禁止分片等）、超时、参数问题、重定向（网络重定向、主机重定向等）等等。

差错报文通常包含了引起错误的IP数据包的第一个分片的IP首部，加上该分片数据部分的前8个字节。

当传送IP数据包发生错误的时候（例如 主机不可达），ICMP协议就会把错误信息封包，然后传送回源主机，那么源主机就知道该怎么处理了。

那是不是只有遇到错误的时候才能使用 差错报文类型 呢？也不一定。

Traceroute 就是一个例外，Traceroute是用来侦测源主机到目标主机之间所经过路由情况的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的规则，制造一些错误的事件出来，然后根据错误的事件来评估网络路由情况。

具体做法就是：

Traceroute会设置特殊的TTL值，来追踪源主机和目标主机之间的路由数。首先它给目标主机发送一个 TTL=1 的UDP数据包，那么这个数据包一旦在路上遇到一个路由器，TTL就变成了0（TTL规则是每经过一个路由器都会减1），因为TTL=0了，所以路由器就会把这个数据包丢掉，然后产生一个错误类型（超时）的ICMP数据包回发给源主机，也就是差错包。这个时候源主机就拿到了第一个路由节点的IP和相关信息了。

接着，源主机再给目标主机发一个 TTL=2 的UDP数据包，依旧上述流程走一遍，就知道第二个路由节点的IP和耗时情况等信息了。

如此反复进行，Traceroute就可以拿到从主机A到主机B之间所有路由器的信息了。
但是有个问题是，如果数据包到达了目标主机的话，即使目标主机接收到TTL值为1的IP数据包，它也是不会丢弃该数据包的，也不会产生一份超时的ICMP回发数据包的，因为数据包已经达到了目的地嘛。那我们应该怎么认定数据包是否达到了目标主机呢？

Traceroute的方法是在源主机发送UDP数据包给目标主机的时候，会设置一个不可能达到的目标端口号（例如大于30000的端口号），那么当这个数据包真的到达目标主机的时候，目标主机发现没有对应的端口号，因此会产生一份“端口不可达”的错误ICMP报文返回给源主机。

可见Traceroute的原理确实很取巧，很有趣。