你知道在 cmd 输入 ping 之后发生了什么吗？ —— 详解 ICMP 协议

在解释之前我们先来了解一下 ICMP 报文。

ICMP 报文 ?

❔ 为什么要引入 ICMP 协议？

✅ 为了更有效地转发 IP 数据报和提高交付成功的机会，在网际层使用了网际控制报文协议 ICMP (Internet Control Message Protocol)。
✅ ICMP 是互联网的标准协议。
✅ ICMP 允许主机或路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告。
✅ ICMP 不是高层协议（因为 ICMP 报文是装在 IP 数据报中，作为其中的数据部分），它是 IP 层的协议。

ICMP 报文的格式

ICMP 报文的种类

?ICMP 报文的种类有两种，即 ICMP 差错报告报文和 ICMP 询问报文。
?ICMP 报文的前 4 个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型、代码和检验和。接着的 4 个字节的内容与 ICMP 的类型有关。

ICMP 差错报告报文

ICMP 差错报告报文共有 4 种：

1️⃣ 终点不可达
2️⃣ 时间超过
3️⃣ 参数问题
4️⃣ 改变路由（重定向）(Redirect)

ICMP 差错报告报文的数据字段的内容：

❔既然是差错报告报文，那么他肯定是有差错的时候才发送的吧？

下面我们来看一下它什么时候不需要发送：

1️⃣ 对 ICMP 差错报告报文不再发送 ICMP 差错报告报文。
2️⃣ 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送 ICMP 差错报告报文。
3️⃣ 对具有多播地址的数据报都不发送 ICMP 差错报告报文。
4️⃣ 对具有特殊地址（如127.0.0.0 或 0.0.0.0）的数据报不发送 ICMP 差错报告报文。

ICMP 询问报文

询问报文有两种：

1️⃣ 回送请求和回答报文
2️⃣ 时间戳请求和回答报文

说了那么多好像和标题咩有任何关系额?，下面我们就来回答标题的问题。

ICMP的应用举例

其实有一个最常见的例子，就是我们常用的 ping 操作，我们常常使用 ping 来看一下网络连接是否畅通?。

?PING (Packet InterNet Groper)
PING 用来测试两个主机之间的连通性。
PING 使用了 ICMP 回送请求与回送回答报文。
PING 是应用层直接使用网络层 ICMP 的例子，它没有通过运输层的 TCP 或UDP。

也就是说直接从应用层跳到网络层?。

再来看一个Traceroute 的应用举例：

1️⃣ 在 Windows 操作系统中这个命令是 tracert。
2️⃣ 用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。
3️⃣ 它利用 IP 数据报中的 TTL 字段和 ICMP 时间超过差错报告报文实现对从源点到终点的路径的跟踪。

? 最后附上使用 C# 模拟 ping 指令的部分源码：

namespace SaurabhPing
{
	using System;
	using System.Net;
	using System.Net.Sockets;
	/// <summary>
	///		The Main Ping Class
	/// </summary>
	class Ping
	{
		//声明常量
		const int SOCKET_ERROR = -1;        
		const int ICMP_ECHO = 8;
		
		public static void Main(string[] argv)
		{
			if(argv.Length==0)
			{
				//如果用户没有输入任何参数则给出提示
				Console.WriteLine("Usage:Ping <hostname> /r") ;
				Console.WriteLine("<hostname> The name of the Host who you want to ping");
				Console.WriteLine("/r Optional Switch to Ping the host continuously") ;
			}
			else if(argv.Length==1)
			{
				//即为用户提供的主机名
				//调用 PingHost 方法并将主机名作为参数传递给它
				PingHost(argv[0]) ;
			}
			else if(argv.Length==2)
			{
				//用户提供了主机名和循环参数（开关，“/r”）
				if(argv[1]=="/r")
				{
					//无限重复下去
					while(true)
					{
						//调用"PingHost"方法并把主机名作为参数传递过去
						PingHost(argv[0]) ;
					}
				}
				else
				{
					//如果用户还提供了其他的参数则忽略
					PingHost(argv[0]) ;
				}
				
			}
			else
			{
				//出现错误
				Console.WriteLine("Error in Arguments") ;
			}
		}
		
		/// <summary>
		///		这个方法以主机名作为参数ping远程主机，并显示回复时间
		/// </summary>
		public static void PingHost(string host)
		{
			//声明IPHostEntry 
			IPHostEntry serverHE, fromHE;
			int nBytes = 0;
			int dwStart = 0, dwStop = 0;
			//初始化一个ICMP类型的Socket
			Socket socket = new Socket(AddressFamily.InterNetwork , SocketType.Raw, ProtocolType.Icmp);
			// 取得目标主机的主机名
			try
			{
				serverHE = Dns.GetHostByName(host);	
			}
			catch(Exception)
			{
				Console.WriteLine("目标主机不存在"); // 失败
				return ;
			}
			IPEndPoint ipepServer = new IPEndPoint(serverHE.AddressList[0], 0);
			EndPoint epServer = (ipepServer);	
			fromHE = Dns.GetHostByName(Dns.GetHostName());
			IPEndPoint ipEndPointFrom = new IPEndPoint(fromHE.AddressList[0], 0);        		EndPoint EndPointFrom = (ipEndPointFrom);
			int PacketSize = 0;
			IcmpPacket packet = new IcmpPacket();
			// 构造数据报
			packet.Type = ICMP_ECHO; //8
			packet.SubCode = 0;
			packet.CheckSum = UInt16.Parse("0");
			packet.Identifier   = UInt16.Parse("45"); 
			packet.SequenceNumber  = UInt16.Parse("0"); 
			int PingData = 32; // sizeof(IcmpPacket) - 8;
			packet.Data = new Byte[PingData];
			//初始化 Packet.Data
			for (int i = 0; i < PingData; i++)
			{
				packet.Data[i] = (byte)'#';
			}
			//保存数据报的长度
			PacketSize = PingData + 8;
			Byte [] icmp_pkt_buffer = new Byte[ PacketSize ]; 
			Int32 Index = 0;
			//调用Serialize方法
			//报文总共的字节数
			Index = Serialize(  
				packet, 
				icmp_pkt_buffer, 
				PacketSize, 
				PingData );
			//报文大小有错
			if( Index == -1 )
			{
				Console.WriteLine("Error in Making Packet");
				return ;
			}
			// 转化为Uint16类型的数组
			//取得数据报长度的一半
			Double double_length = Convert.ToDouble(Index);
			Double dtemp = Math.Ceiling( double_length / 2);
			int cksum_buffer_length = Convert.ToInt32(dtemp);
			//生成一个字节数组
			UInt16 [] cksum_buffer = new UInt16[cksum_buffer_length];
			//初始化 Uint16类型 array 
			int icmp_header_buffer_index = 0;
			for( int i = 0; i < cksum_buffer_length; i++ ) 
			{
				cksum_buffer[i] = 
					BitConverter.ToUInt16(icmp_pkt_buffer,icmp_header_buffer_index);
				icmp_header_buffer_index += 2;
			}
			//调用checksum，返回检查和
			UInt16 u_cksum = checksum(cksum_buffer, cksum_buffer_length);
			//检查和存在报文中
			packet.CheckSum  = u_cksum; 
			// Now that we have the checksum, serialize the packet again
			Byte [] sendbuf = new Byte[ PacketSize ]; 
			//再次检查报文大小
			Index = Serialize(  
				packet, 
				sendbuf, 
				PacketSize, 
				PingData );
			//如果有错,则报告错误
			if( Index == -1 )
			{
				Console.WriteLine("Error in Making Packet");
				return ;
			}
	                

			dwStart = System.Environment.TickCount; // 开始时间
			//用socket发送数据报
			if ((nBytes = socket.SendTo(sendbuf, PacketSize, 0, epServer)) == SOCKET_ERROR) 
			{		
				Console.WriteLine("Socket Error cannot Send Packet");
			}
			//初始化缓冲区.接受缓冲区			Initialize the buffers. The receive buffer is the size of the
			// ICMP 头 ＋IP 头 (20 字节)
			Byte [] ReceiveBuffer = new Byte[256]; 
			nBytes = 0;
			//接受字节流
			bool recd =false ;
			int timeout=0 ;
			//循环检查目标主机相应时间
			while(!recd)
			{
				nBytes = socket.ReceiveFrom(ReceiveBuffer, 256, 0, ref EndPointFrom);
				if (nBytes == SOCKET_ERROR) 
				{
					Console.WriteLine("Host not Responding") ;
					recd=true ;
					break;
				}
				else if(nBytes>0)
				{
					dwStop = System.Environment.TickCount - dwStart; 
					// 停止计时
					Console.WriteLine("Reply from "+epServer.ToString()+": bytes=" + nBytes + "  time="+dwStop + "ms");
					recd=true;
					break;
				}
				timeout=System.Environment.TickCount - dwStart;
				if(timeout>1000)
				{
					Console.WriteLine("Time Out") ;
					recd=true;
				}					
			}
			//关闭socket
			socket.Close();     
		}
		/// <summary>
		///  取得报文内容，转化为字节数组，然后计算报文的长度
		/// </summary>
		public static Int32 Serialize(  IcmpPacket packet, Byte [] Buffer, Int32 PacketSize, Int32 PingData )
		{
			Int32 cbReturn = 0;
			// 数据报结构转化为数组
			int Index=0;
			Byte [] b_type = new Byte[1];
			b_type[0] = (packet.Type);
			Byte [] b_code = new Byte[1];
			b_code[0] = (packet.SubCode);
			Byte [] b_cksum = BitConverter.GetBytes(packet.CheckSum);
			Byte [] b_id = BitConverter.GetBytes(packet.Identifier);
			Byte [] b_seq = BitConverter.GetBytes(packet.SequenceNumber);
			Array.Copy( b_type, 0, Buffer, Index, b_type.Length );
			Index += b_type.Length;
			Array.Copy( b_code, 0, Buffer, Index, b_code.Length );
			Index += b_code.Length;
			Array.Copy( b_cksum, 0, Buffer, Index, b_cksum.Length );
			Index += b_cksum.Length;
			Array.Copy( b_id, 0, Buffer, Index, b_id.Length );
			Index += b_id.Length;
			Array.Copy( b_seq, 0, Buffer, Index, b_seq.Length );
			Index += b_seq.Length;
			// 复制数据	        
			Array.Copy( packet.Data, 0, Buffer, Index, PingData );
			Index += PingData;
			if( Index != PacketSize/* sizeof(IcmpPacket)  */) 
			{
				cbReturn = -1;
				return cbReturn;
			}
			cbReturn = Index;
			return cbReturn;
		}
		/// <summary>
		///		校验和算法
		/// </summary>
		public static UInt16 checksum( UInt16[] buffer, int size )
		{
			Int32 cksum = 0;
			int counter;
			counter = 0;
			/*把ICMP报头二进制数据以2字节为单位累加起来*/
			while ( size > 0 ) 
			{
				UInt16 val = buffer[counter];
				cksum += Convert.ToInt32( buffer[counter] );
				counter += 1;
				size -= 1;
			}
			/*	若ICMP报头为奇数个字节，会剩下最后一字节。把最后一个字节视为一个
			 *	2字节数据的高字节，这个2字节数据的低字节为0，继续累加*/
			cksum = (cksum >> 16) + (cksum & 0xffff);
			cksum += (cksum >> 16);
			return (UInt16)(~cksum);
		}
	} // class ping
	/// <summary>
	///		IcmpPacket类，存储报文内容
	/// </summary>
	public class IcmpPacket 
	{ 
		public Byte  Type;    // 消息类型
		public Byte  SubCode;    // 子码类型
		public UInt16 CheckSum;   // 校检和
		public UInt16 Identifier;      // 标志符
		public UInt16 SequenceNumber;     // 顺序号  
		public Byte [] Data;   // 数据

	} // ICMP包
}