脑残式网络编程入门(五)：每天都在用的Ping命令，它到底是什么？
本文引用了公众号纯洁的微笑作者奎哥的技术文章，感谢原作者的分享。
1、前言
老于网络编程熟手来说，在测试和部署网络通信应用（比如IM聊天、实时音视频等）时，如果发现网络连接超时，第一时间想到的就是使用Ping命令Ping一下服务器看看通不通。甚至在有些情况下通过图形化的Ping命令工具对目标网络进行长测（比如：《两款增强型Ping工具：持续统计、图形化展式网络状况 [附件下载]》、《网络测试：Android版多路ping命令工具EnterprisePing[附件下载]》），可以得出当前网络通信的网络延迟、网络丢包率、网络抖动等等有价值信息。
Ping命令很简单，但作为为数不多的网络检测工具，却非常有用，是开发网络应用时最常用到的命令。虽然“Ping”这个动作这么简单，但你知道Ping命令背后后的逻辑吗？这就是本文要告诉你！
学习交流：
- 即时通讯开发交流3群：185926912 [推荐]
- 移动端IM开发入门文章：《新手入门一篇就够：从零开发移动端IM》
（本文同步发布于：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，本系列大纲如下：
《脑残式网络编程入门(一)：跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
《脑残式网络编程入门(二)：我们在读写Socket时，究竟在读写什么？》
《脑残式网络编程入门(三)：HTTP协议必知必会的一些知识》
3、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：
1）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；
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；
3）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；
4）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；
5）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；
6）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，下面的章节会把ICMP协议再详细解释一下，请继续往下读。
4、正确理解ICMP协议
Ping命令所基于的ICMP协议所处的网络模型层级：
（▲ 上图来自《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）[附件下载]》，您可下载此图的完整清晰版）
Ping命令这么简单，在任何系统上上手就能使用，很多人可能想当然的认为Ping命令使用的ICMP协议应该是基于传输层的TCP或UDP协议的吧。
正如上图所示，ICMP协议既不是基于TCP，也不是基于UDP，而是直接基于网络层的IP协议，在整个网络协议栈中属于相当底层的协议了。这也从侧面证明了它的重要性，因为根据ICMP的RFC手册规定：ICMP协议是任何支持IP协议的系统必须实现的，没有余地。而IP协议是整个互联网的基石，ICMP协议虽简单，但重要性不言而喻。
所以，以后面视的时候，如果碰到“ICMP协议是基于什么实现的？”这样的问题，请一定要记往此节所讲的内容。
5、深入ICMP协议
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（如下图所示）。
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：
1）查询报文类型；
2）差错报文类型。
【关于查询报文类型】：
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。
【关于差错报文类型】：
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。
6、ICMP差错报文的妙用
正如上一节所介绍的那样，ICMP协议主要有：查询报文类型和差错报文类型两种。对于差错报文来说，是不是只有遇到错误的时候才能使用呢？不是！
基于这个特性，Linux下的Traceroute指令（Windows下的对等指令是tracert）利于ICMP的差错报文可以实现遍历到数据包传输路径上的所有路由器！这真是个有用的命令！
百度百科上关于traceroute命令的用途：
traceroute (Windows 系统下是tracert) 命令利用ICMP 协议定位您的计算机和目标计算机之间的所有路由器。TTL 值可以反映数据包经过的路由器或网关的数量，通过操纵独立ICMP 呼叫报文的TTL 值和观察该报文被抛弃的返回信息，traceroute命令能够遍历到数据包传输路径上的所有路由器。
ICMP的差错报文的使用，使得Traceroute成为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。
traceroute的基本原理如下图所示：
具体做法就是：
1）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；
2）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；
3）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。如您对Traceroute感兴趣，可以深入读一读《从Traceroute看网络问题》一文。
附录：更多网络编程精华文章
《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
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《高性能网络编程(五)：一文读懂高性能网络编程中的I/O模型》
《高性能网络编程(六)：一文读懂高性能网络编程中的线程模型》
《不为人知的网络编程(一)：浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》
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