ICMP 协议详解 | 实验

注： 本文为 “ICMP 协议” 相关文章合辑。

未整理去重。

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网络层 IP 数据报、ICMP 协议（含具体实验演示）

陆海潘江小 C 于 2021-04-21 17:43:28 发布

一、前言

对以前学习过的内容进行一个系统的整理，梳理思路，将零散的知识碎片集成一个相对完善的知识体系，这样能够更好地去理解知识。

看完这篇能学到什么呢？

1. IP 数据报格式和首部字段的功能；

2. Cisco 实验验证实际通信过程中 IP 数据报具体内容；

3. ICMP 协议以及报文内容；

4. ICMP 在实际中的应用。

二、IP 数据报

学习一个知识，我们往往倾向于能够直观地感知，而不喜欢抽象的概念，所以这里先放上图片（来源：百度百科）。

先看看 IP 数据报长什么样子，才能更好地理解它。

这张图最清晰直观的，一眼就可以发现 IP 数据报的格式和基本功能内容，下面就来瞧瞧每个区域分别负责什么。

一个 IP 数据报由首部和数据两个部分组成。首部的前部分属于固定部分，占 20 个字节；后面部分属于可变部分，长度时可变的。

首部固定部分主要字段解析：

1、版本

从图中可以看到，版本字段占 4 位。记录着通信双方使用的 IP 协议版本，比如 IPv4、IPv6，目前广泛使用的是 IPv4。

2、首部长度

占 4 位，表示的 单位为 4 字节，比如 1111（十进制的 15）就代表首部长度为 60 字节（15*4=60）. 以 4 字节的整数倍划分，不足则填充。最常用的首部长度为 0101（20 字节）。

3、区分服务

占 8 位，用以获得更好的服务。实际中未使用。

4、总长度

即 首部长度和数据长度之和。占 16 位。因此，最大长度可知为 16 位都是 1，就是 65535 字节。

在 IP 层下层数据链路层存在自己的帧格式，帧格式的数据字段最大传送单元（MTU）是 1500 字节。尽可能长的数据报能够提高传输效率，实际中数据报长度很少大于 1500 字节。所以，IP 标准规定：所有主机和路由器的 IP 数据报长度不能小于 576 字节。

如果数据报长度超过 MTU，则将进行分片后再传送，与后面的片偏移相关。然后 总长度就成了分片后每个分片的首部和数据的长度之和。

5、标识

占 16 位。在实际 IP 中，维持了一个计数器，每产生一个数据报，计数其加 1，存放到该字段。IP 是无连接服务，不存在按序接收问题，该标识不是序号，而是 在进行分片之后对相同的数据报进行标识，属于同一个数据报的标识相同，以便到达目的后被重新封装为原来的数据报。

6、标志

占 3 位。目前使用 2 两位有意义的。

最低位：MF（More Fragment）还有分片，MF=0 时说明是最后一个分片。

中间位：DF（Don‘t Fragment）不能分片，DF=0 时才能分片。

7、片偏移

占 13 位。用于记录较长分组中，一个分片在原数据报中的相对位置。片偏移以 8 字节为单位，长度是 8 字节的整数倍。

假设一个数据报总长度为 3820 字节。首部 20 字节和数据 3800 字节。现在要求长度不超过 1420 字节，那么它的每个分片为多少呢？

简单分析一下，数据部分尽可能长的可以分为 1400,1400,1000 三个分片，这样再加上首部满足小于 1420 字节。

分片一：0-1399 字节，因此片偏移 = 0/8=0

分片二：1400-2799 字节，片偏移 = 1400/8=175

分片三：2800-3800 字节，片偏移 = 2800/8=350

很容易就计算出每个分片的片偏移。

8、生存时间

TTL（Time To Live） 占 8 位。最大值 255. 每个数据报都有 TTL，防止被错误路由在网络中不断循环，消耗网络资源。在实际中，TTL 表示的是跳数而不是时间，指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器。

9、协议

占 8 位。指明数据报携带的数据是使用什么协议，方便目的主机的 IP 层将数据交给对应的程序处理，这里列举几个。

协议	ICMP	IGMP	TCP	UDP	OSPF
字段值	1	2	6	17	89

10、首部检验和

占 16 位。只校验数据报首部，不包括数据部分。这样可以减少计算量，同时不采用复杂的 CRC 检验码，而是使用简单的 反码算术运算。

反码算术运算：将数据报首部划分为多个 16 位的序列，16 位序列相加之和取反码，写入检验和。接收方再将首部 16 位序列（包含检验和的 16 位）相加之和取反码，结果为 0 则说明数据报正确，否则丢弃。

三、Cisco 模拟器实验

现在做一个简单的实验，模拟两台主机进行通信，然后查看 IP 数据报的格式。

实验如图，现在 PC0 发送 ping 命令给 PC1.

这就是实际中 IP 数据报的格式，与开始介绍的图一致：

这里使用到 ping 命令，自然联想到是基于 ICMP 协议进行通信的。接下来看看 ICMP 协议具体是什么。

四、ICMP 协议

网际控制报文协议就是熟悉的 ICMP 全称。

还是先放一个直观容易理解地图片（来源：百度百科）

ICMP 报文作为 IP 数据报的数据，加上 IP 数据报首部，组成 IP 数据报被发送出去。

前 4 个字节是固定格式：包括类型、代码、检验和三个字段。

ICMP 报文种类有差错报告报文和询问报文，几种常用的报文类型有：

差错报告报文有 5 种类型：

1、终点不可达

当路由器或主机不能交付数据报时，就向发送方发送源点不可达报文。

2、源点抑制

由于拥塞而丢弃数据，就发送源点抑制报文告知发送方降低放松频率。

3、超时

当 TTL 减少至零时，说明目的接收方没有接收数据报，发送超时报文告知发送方。

4、参数问题

接收方收到的数据首部的一些字段不正确时，发送参数问题报文。

5、改变路由（重定向）

发送方按路由表中的默认路由发送数据给目的主机，因为每个路由器都有一个最佳路由到达每个网络。所以如果该路由不是最佳的，路由器就把新的路由信息发送给源主机，告知下次发送时有更好地路由选择。

询问报文有两种类型：

6、回送请求和回答

上面使用到的 ping 命令就是发送了询问报文，测试目的是否可到达。

7、时间戳请求和回答

请某个主机或路由器回答当前的日期时间，可以用来进行时钟同步和测量时间。

五、ICMP 实践应用

在上面的模拟实验也可以看到 ICMP 报文的内容。

使用 ping 命令测试目的主机：