《计算机网络—自顶向下方法》 Wireshark实验（八）：ICMP 协议分析

ICMP（Internet Control Message Protocol）网络控制报文协议。它是 TCP/IP 协议簇的一个子协议，用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的消息。这些控制消息虽然并不传输用户数据，但是对于用户数据的传递起着重要的作用。每个 ICMP 消息都是直接封装在一个 IP 数据包中的，因此，和 UDP 一样，ICMP 是不可靠的。

几种常用的 ICMP 报文类型：

Ping 是基于 ICMP 协议的，就是互联网控制报文协议，网络包在异常复杂的网络环境进行传输的时候，常常会遇到各种各样的问题，当遇到问题的时候，总要传出消息来，报告情况，这样才可以调整传输策略。

Ping 基本使用：在网络中 Ping 是一个十分强大的 TCP/IP 工具。

(1) 用来检测网络的连通情况和分析网络速度；
(2) 根据域名得到服务器 IP；
(3) 根据 Ping 返回的 TTL 值来判断对方所使用的操作系统及数据包经过路由器数量。

1 ICMP协议

1.1 协议解析

ICMP协议：Internet Control Message Protocol（Internet控制报文协议）；由于IP协议并不是一个可靠的协议，它不保证数据被成功送达。原因是，在通信途中的某处的一个路由器由于不能处理所有的数据包，就将数据包一个一个丢弃了。或者，虽然到达了对方，但是由于搞错了端口号，服务器软件可能不能接受它。这时，在错误发生的现场，为了联络而飞过来的信鸽就是ICMP 报文。在IP 网络上，由于数据包被丢弃等原因，为了控制将必要的信息传递给发信方。ICMP 协议是为了辅助IP 协议，交换各种各样的控制信息而被制造出来的，经常供IP层或更高层协议（TCP或UDP）使用。所以它经常被认为是IP层的一个组成部分。

制定万维网规格的IETF 在1981 年将RFC7922作为ICMP 的基本规格整理出来了。那个RFC792 的开头部分里写着“ICMP 是IP 的不可缺少的部分，所有的IP 软件必须实现ICMP协议”。即，ICMP 是为了分担IP 一部分功能而被制定出来的。

ICMP协议是一种面向无连接的协议，用于传输出错报告控制信息。它属于网络层协议，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息。

在RFC，将ICMP 大致分成两种功能：差错通知和信息查询。

[1]给送信者的错误通知；[2]送信者的信息查询。
[1]是到IP 数据包被对方的计算机处理的过程中，发生了什么错误时被使用。不仅传送发生了错误这个事实，也传送错误原因等消息。
[2]的信息询问是在送信方的计算机向对方计算机询问信息时被使用。被询问内容的种类非常丰富，他们有目标IP 地址的机器是否存在这种基本确认，调查自己网络的子网掩码，取得对方机器的时间信息等。

ICMP是TCP/IP模型中网络层的重要成员，与IP协议、ARP协议、RARP 协议及 IGMP协议共同构成 TCP/IP模型中的网络层。ping 和 tracert 是两个常用网络管理命令，ping 用来测试网络可达性，tracert 用来显示到达目的主机的路径。ping 和 tracert 都利用ICMP 协议来实现网络功能，它们是把网络协议应用到日常网络管理的典型实例。

ICMP报文内容是放在IP数据包的数据部分里来互相交流的。也就是，从ICMP的报文格式来说，ICMP是IP的上层协议。但RFC认为ICMP是分担了IP的一部分功能。所以，ICMP也被认为是与IP同层的协议。

一个ICMP报文包括IP报头（至少20字节）、ICMP报头（至少八字节）和ICMP报文（属于ICMP报文的数据部分）。看一下RFC 规定的数据包格式和报文内容吧。

当IP报头中的协议字段值为1时，就说明这是一个ICMP报文。ICMP的数据报文格式如下所示。所有报文的前4个字节都是一样的，其他的因报文类型不同而不一样。类型字段可以有15个不同的值，用以描述不同的ICMP报文。校验和字段覆盖整个ICMP报文，使用了和IP首部检验和一样的算法，详细请搜索TCP/IP检验和算法。

字段说明：

类型：标识ICMP报文的类型，从类型值来看ICMP报文可以分为两大类。第一类是取值为1~127的差错报文，第2类是取值128以上的信息报文。
代码：标识对应ICMP报文的代码。它与类型字段一起共同标识了ICMP报文的详细类型。
校验和：对包括ICMP报文数据部分在内的整个ICMP`数据报的校验和，以检验报文在传输过程中是否出现了差错。

不同类型的报文是由类型字段和代码字段来共同决定。下表是各种类型的ICMP报文。

根据上表可知，ICMP协议大致分为两类，一种是查询报文，一种是差错报文。查询报文是用一对请求和应答定义的，它通常有以下几种用途:

ping查询
子网掩码查询（用于无盘工作站在初始化自身的时候初始化子网掩码）
时间戳查询（可以用来同步时间）

而差错报文通常包含了引起错误的IP数据报的第一个分片的IP首部（和选项），加上该分片数据部分的前8个字节。RFC 792规范中定义的这8个字节中包含了该分组运输层首部的所有分用信息，这样运输层协议就可以向正确的进程提交ICMP差错报文。

当传送IP数据包发生错误时，比如主机不可达，端口不可达等，ICMP协议就会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会，这也就是为什么说建立在IP层以上的协议是可能做到安全的原因。由上面可知，ICMP数据包由8bit的错误类型和8bit的代码和16bit的校验和组成，而前 16bit就组成了ICMP所要传递的信息。由数据链路层所能发送的最大数据帧，即MTU（Maximum Transmission Unit）为1500，计算易知ICMP协议在实际传输中数据包为：20字节IP首部 + 8字节ICMP首部+ 1472字节（数据大小）。

尽管在大多数情况下，错误的包传送应该给出ICMP报文，但是在特殊情况下，是不产生ICMP错误报文的。如下

ICMP差错报文不会产生ICMP差错报文（出IMCP查询报文）（防止IMCP的无限产生和传送）
目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报。
作为链路层广播的数据报。
不是IP分片的第一片。
源地址不是单个主机的数据报。这就是说，源地址不能为零地址、环回地址、广播地址或多播地址。

1.2 ICMP 报文格式

ICMP 报文包括 IP 头部、ICMP 头部和 ICMP 报文 3 个部分，ICMP 报文是作为 IP 有效载荷承载的。

字段	说明
Type	ICMP 的类型,标识生成的错误报文；
Code	进一步划分 ICMP 的类型,该字段用来查找产生错误的原因；
Checksum	校验码，字段包含有从 ICMP 报头和数据部分计算得来的，用于检查错误的数据；
ID	ID 值，在 Echo Reply 类型的消息中要返回这个字段；
Sequence	这个字段包含一个序号，在 Echo Reply 类型的消息中要返回这个字段。

1.3 ICMP 报文类型

ICMP 有 2 类报文，第一类是差错报告报文，分别是以下 5 种：

差错报告报文	说明
目的不可达	路由器或主机不能交付数据报
超时或超期	路由器收到生存时间为 0 的数据报
参数有问题	路由器或主机收到数据报中，首部有字段的值不正确
重定向	改变主机下一次发生数据报所选的路由
源抑制	发送给源主机，令其降低发送数据的速率(现在不用了)

第二类是网络探询报文，有以下 2 组：

网络探询报文	说明
回声请求与应答	主机或路由器向特定主机发送询问
时间戳请求与应答	请求某台主机或路由器应答当前日期和时间

除此之外还有 3 个不再使用的报文，分别是：信息请求与应答、子网掩码请求与应答、路由器询问和通报。常用报文类型如下：

我们留意 3 个报文。首先是回显应答 (Echo Reply) 报文，我们知道 Ping 程序是会发送一个回显请求(类型 8 编码 0)报文给目的主机，目的主机收到之后就发送回显应答(类型 0 编码 0)报文进行回显。一般来说，第一个回显请求之前要先发送一个 ARP 请求并接收应答，会消耗一定的时间。

接着是TTL 报文(类型 11 编码 0)，这个是在 Traceroute 程序中，路由器检查到 Traceroute 发出的 IP 数据报中 TTL 正好过期，因此路由器就需要丢包并且发送该警告报文返回源主机。源主机就可以得到路由器的 IP 地址，以此达到路由追踪的目的。

还有一个是源抑制报文，这个报文是为了执行拥塞控制，令拥塞的路由器可以通过发送该报文令主机发送速率降低，不过 TCP 在运输层有自己的拥塞控制手法，因此源抑制报文在实践中很少使用。

2 实验分析

2.1 Ping 程序

Ping 程序允许我们验证某主机是否存在，通过将数据包发送到目标 IP 地址，如果目标主机在线则目标主机中的 Ping 程序将会发送响应数据包进行响应，这两个 Ping 数据包都是 ICMP 数据包。

1. 实验步骤

打开 Wireshark 启动捕获
打开命令提示符使用 ping 命令，ping 其他大陆的服务器10 次，这里以 gaia.cs.umass.edu 为例，命令语法：CMD > ping -n 10 gaia.cs.umass.edu

2. 实验结果

源主机的 IP 地址是多少？目标主机的 IP 地址是多少？
答：源主机的 IP 地址是：10.69.164.78；目标主机的 IP 地址是：128.119.245.12
为什么 ICMP 数据包没有源端口号和目的端口号？
答：因为 ICMP 协议是网络层的协议，它不需要传输层TCP 和UDP 承载，直接使用IP 报承载，因此不需要源端口号目的端口号，只需要目的地址即可。
查看任意的请求 ICMP 数据包， ICMP 类型和代码是什么？该 ICMP 数据包还有哪些其他字段？校验和，序列号和标识符字段有多少字节
答: ICMP 类型是 8（代表ICMP 请求），代码是 0，ICMP 数据包还包括校验码，ID 值，以及序号。校验和，序列号，标识符都是 16 个字符，4 个字节。

查看任意的响应 ICMP 数据包， ICMP 类型和代码是什么？该 ICMP 数据包还有哪些其他字段？校验和，序列号和标识符字段有多少字节？
答: ICMP 类型是0（代表ICMP 响应），代码是0，ICMP 数据包还包括校验码，ID 值，以及序号。校验和，序列号，标识符都是16 个字符，4 个字节。

2.2 Traceroute 命令

1. Traceroute 简介

Traceroute 程序可用于确定数据包从源到目的地的路径，原理是发送 TTL 增加的数据包，当 TTL = 1 的包达到路由器，该路由器会将该包丢弃，并且发送 ICMP 错误给请求的机器。

traceroute 通过首先发送一个或多个带有生存时间 (TTL) 字段设置为 1 的数据报；然后发送一个或多个带有 TTL 字段设置为 2 的数据报到同一个目的地；然后发送一个或多个带有 TTL 字段设置为 3 的数据报到同一个目的地，以此类推，直到目的地真正收到此数据报为止。路由器必须将每个接收到的数据报中的 TTL 减 1，如果 TTL 达到 0，路由器会向来源主机发送 ICMP 消息。由于这种行为，TTL 为 1 的数据报将导致距发送方一次跳跃的路由器，将 ICMP TTL 超出的消息发送回发送方主机；以TTL 为 2 发送的数据报将导致距离为两次跳跃的路由器，将 ICMP 消息发送回发送方主机等等。以这种方式，执行 traceroute 的主机可以通过查看包含ICMP TTL 超出消息的数据报中的来源 IP 地址来获知其自身与目的地之间的路由器的身份。

2. 实验步骤

打开命令提示符进行路由跟踪，跟踪 gaia.cs.umass.edu，命令语法：CMD > tracert gaia.cs.umass.edu

3. 问题解答

您的主机的 IP 地址是多少？目标目标主机的 IP 地址是多少？
答：源主机：10.69.164.78；目标主机：128.119.245.12

如果 ICMP 发送了 UDP 数据包（如在 Unix / Linux 中），那么探测数据包的 IP 协议号仍然是 01 吗？如果没有，它会是什么？
答：发送请求路由跟踪的数据包是 UDP 数据包，因此 IP 承载上层协议号时 17。
检查屏幕截图中的 ICMP 响应数据包。这与本实验的前半部分中的 ICMP ping 查询数据包不同吗？如果不同，请解释为什么？
答：不同，这里的 ICMP 报文时 **TTL 报文(类型 11 编码 0)，这个是在 Traceroute 程序中，路由器检查到 Traceroute 发出的 IP 数据报中 TTL 正好过期，因此路由器就需要丢包并且发送该警告报文返回源主机。这个与 Ping 程序中所要达成的目的不同，Ping 程序是为了请求响应。

检查屏幕截图中的 ICMP 错误数据包。它具有比 ICMP 响应数据包更多的字段。这个数据包含哪些内容？
答：比响应数据包多了 ICMP 请求数据包的内容

检查源主机收到的最后三个 ICMP 数据包。这些数据包与 ICMP 错误数据包有何不同？他们为什么不同？
答：这个是目的主机返回的回显应答报文，因为 tracert 程序的原理是发送 TTL 增加的数据包，当 TTL = 1 的包达到路由器，该路由器会将该包丢弃，并且发送 ICMP 错误给请求的机器。而最后一组 3 个数据报时可以到达目的主机的，这时由于是被目的主机接收，目的主机不会丢包，而是确确实实收到的这个探测的数据报并进行了响应。

在 tracert 跟踪测量中，是否有一个连接的延迟比其他连接长得多？是否有连接的延迟明显长于其他连接？根据路由器名称，您能猜出这个连接末端的两个路由器的位置吗？
答：在第 8 个节点和第 9 个节点之间时延突增，之后的节点时延都达到了 250+ ms。之后的路由器名都是英文名，且目的地是法国，那应该是连接到了亚洲转欧洲的分界路由器了。

用 Best trace 做一次路由追踪，看来确实在这两个节点出现了从上海到伦敦的大跳跃！

补充

在 Linux 虚拟机中进行路由跟踪，地址仍然是 gaia.cs.umass.edu，命令语法：traceroute gaia.cs.umass.edu

同样，Linux 还可以指定路由跟踪使用ICMP 数据报。命令语法：# traceroute gaia.cs.umass.edu -I

推荐继续阅读——Python进阶篇（四）-- ICMP Ping服务程序框架

参考

ICMP协议及Wireshark实验：https://www.cnblogs.com/linfangnan/p/12852544.html
《计算机网络－自顶向下方法》笔记：https://github.com/moranzcw/Computer-Networking-A-Top-Down-Approach-NOTES