网络工程师常用协议之ICMP协议原理与应用

Internet控制消息协议ICMP（Internet Control Message Protocol）是网络层的一个重要协议。ICMP协议用来在网络设备间传递各种差错和控制信息，并对于收集各种网络信息、诊断和排除各种网络故障等方面起着至关重要的作用。使用基于ICMP的应用时，需要对ICMP的工作原理非常熟悉。

ICMP协议

ICMP用来传递差错、控制、查询等信息。
ICMP是TCP/IP协议簇的核心协议之一，它用于在IP网络设备之间发送控制报文，传递差错、控制、查询等信息。

ICMP重定向

ICMP Redirect重定向消息用于支持路由功能。如图所示，主机A希望发送报文到服务器A，于是根据配置的默认网关地址向网关RTB发送报文。网关RTB收到报文后，检查报文信息，发现报文应该转发到与源主机在同一网段的另一个网关设备RTA，因为此转发路径是更优的路径，所以RTB会向主机发送一个Redirect消息，通知主机直接向另一个网关RTA发送该报文。主机收到Redirect消息后，会向RTA发送报文，然后RTA会将该报文再转发给服务器A。

ICMP差错检测

ICMP Echo Request和ICMP Echo Reply分别用来查询和响应某些信息，进行差错检测。
ICMP Echo消息常用于诊断源和目的地之间的网络连通性，同时还可以提供其他信息，如报文往返时间等。

ICMP错误报告

当网络设备无法访问目标网络时，会自动发送ICMP目的不可达报文到发送端设备。
ICMP定义了各种错误消息，用于诊断网络连接性问题；根据这些错误消息，源设备可以判断出数据传输失败的原因。比如，如果网络中发生了环路，导致报文在网络中循环，且最终TTL超时，这种情况下网络设备会发送TTL超时消息给发送端设备。又比如如果目的地不可达，则中间的网络设备会发送目的不可达消息给发送端设备。目的不可达的情况有多种，如果是网络设备无法找到目的网络，则发送目的网络不可达消息；如果网络设备无法找到目的网络中的目的主机，则发送目的主机不可达消息。

ICMP数据包格式

Type表示ICMP消息类型，Code表示同一消息类型中的不同信息。
ICMP消息封装在IP报文中。ICMP消息的格式取决于Type和Code字段，其中Type字段为消息类型，Code字段包含该消息类型的具体参数。后面的校验和字段用于检查消息是否完整。消息中包含32比特的可变参数，这个字段一般不使用，通常设置为0。在ICMP Redirect消息中，这个字段用来指定网关IP地址，主机根据这个地址将报文重定向到指定网关。在Echo请求消息中，这个字段包含标识符和序号，源端根据这两个参数将收到的回复消息与本端发送的Echo请求消息进行关联。尤其是当源端向目的端发送了多个Echo请求消息时，需要根据标识符和序号将Echo请求和回复消息进行一一对应。

ICMP消息类型和编码类型

ICMP定义了多种消息类型，并用于不同的场景。有些消息不需要Code字段来描述具体类型参数，仅用Type字段表示消息类型。比如，ICMP Echo回复消息的Type字段设置为0。
有些ICMP消息使用Type字段定义消息大类，用Code字段表示消息的具体类型。比如，类型为3的消息表示目的不可达，不同的Code值表示不可达的原因，包括目的网络不可达（Code=0）、目的主机不可达（Code=1）、协议不可达（Code=2）、目的TCP/UDP端口不可达（Code=3）等。

ICMP应用-Ping

<RTA>ping ?

STRING<1-255> IP address or hostname of a remote system

-a            Select source IP address, the default is the IP address of the

              output interface

-c            Specify the number of echo requests to be sent, the default is

              5

-d            Specify the SO_DEBUG option on the socket being used

-f            Set Don't Fragment flag in packet (IPv4-only)

-h            Specify TTL value for echo requests to be sent, the default is

              255

-i            Select the interface sending packets

……

ICMP的一个典型应用是Ping。Ping是检测网络连通性的常用工具，同时也能够收集其他相关信息。用户可以在Ping命令中指定不同参数，如ICMP报文长度、发送的ICMP报文个数、等待回复响应的超时时间等，设备根据配置的参数来构造并发送ICMP报文，进行Ping测试。
Ping常用的配置参数说明如下：
1. -a source-ip-address指定发送ICMP ECHO-REQUEST报文的源IP地址。如果不指定源IP地址，将采用出接口的IP地址作为ICMP ECHO-REQUEST报文发送的源地址。
2. -c count指定发送ICMP ECHO-REQUEST报文次数。缺省情况下发送5个ICMP ECHO-REQUEST报文。
3. -h ttl-value指定TTL的值。缺省值是255。
4. -t timeout指定发送完ICMP ECHO-REQUEST后，等待ICMP ECHO-REPLY的超时时间。

[RTA]ping 10.0.0.2

PING 10.0.0.2 : 56 data bytes, press CTRL_C to break

    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=1 ttl=255 time=340 ms

    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=2 ttl=255 time=10 ms

    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=3 ttl=255 time=30 ms

    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=4 ttl=255 time=30 ms

    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=5 ttl=255 time=30 ms

--- 10.0.0.2 ping statistics ---

    5 packet(s) transmitted

    5 packet(s) received

    0.00% packet loss

    round-trip min/avg/max = 10/88/340 ms

Ping命令的输出信息中包括目的地址、ICMP报文长度、序号、TTL值以及往返时间。序号是包含在Echo回复消息（Type=0）中的可变参数字段，TTL和往返时间包含在消息的IP头中。

ICMP应用-Tracert

<RTA>tracert ?

STRING<1-255> IP address or hostname of a remote system

-a             Set source IP address, the default is the IP address of the

               output interface

-f             First time to live, the default is 1

-m             Max time to live, the default is 30

-name          Display the host name of the router on each hop

-p             Destination UDP port number, the default is 33434

-q             Number of probe packet, the default is 3

-s             Specify the length of the packets to be sent. The default

               length is 12 bytes

……

ICMP的另一个典型应用是Tracert。Tracert基于报文头中的TTL值来逐跳跟踪报文的转发路径。为了跟踪到达某特定目的地址的路径，源端首先将报文的TTL值设置为1。该报文到达第一个节点后，TTL超时，于是该节点向源端发送TTL超时消息，消息中携带时间戳。然后源端将报文的TTL值设置为2，报文到达第二个节点后超时，该节点同样返回TTL超时消息，以此类推，直到报文到达目的地。这样，源端根据返回的报文中的信息可以跟踪到报文经过的每一个节点，并根据时间戳信息计算往返时间。Tracert是检测网络丢包及时延的有效手段，同时可以帮助管理员发现网络中的路由环路。
Tracert常用的配置参数说明如下：

-a source-ip-address 指定 tracert 报文的源地址。

-f first-ttl 指定初始 TTL 。缺省值是 1 。

-m max-ttl 指定最大 TTL 。缺省值是 30 。

-name 使能显示每一跳的主机名。

-p port 指定目的主机的 UDP 端口号。

Type表示ICMP消息类型，Code表示同一消息类型中的不同信息。
源端（RTA）向目的端（主机B）发送一个UDP报文，TTL值为1，目的UDP端口号是大于30000的一个数，因为在大多数情况下，大于30000的UDP端口号是任何一个应用程序都不可能使用的端口号。
第一跳（RTB）收到源端发出的UDP报文后，判断出报文的目的IP地址不是本机IP地址，将TTL值减1后，判断出TTL值等于0，则丢弃报文并向源端发送一个ICMP超时（Time Exceeded）报文（该报文中含有第一跳的IP地址10.0.0.2），这样源端就得到了RTB的地址。
源端收到RTB的ICMP超时报文后，再次向目的端发送一个UDP报文，TTL值为2。
第二跳（RTC）收到源端发出的UDP报文后，回应一个ICMP超时报文，这样源端就得到了RTC的地址（20.0.0.2）。
以上过程不断进行，直到目的端收到源端发送的UDP报文后，判断出目的IP地址是本机IP地址，则处理此报文。根据报文中的目的UDP端口号寻找占用此端口号的上层协议，因目的端没有应用程序使用该UDP端口号，则向源端返回一个ICMP端口不可达（Destination Unreachable）报文。
源端收到ICMP端口不可达报文后，判断出UDP报文已经到达目的端，则停止Tracert程序，从而得到数据报文从源端到目的端所经历的路径（10.0.0.2；20.0.0.2；30.0.0.2）。