Ping、Traceroute 工作原理

在工作开发过程中，我们经常会使用到ping和traceroute。在这里，我们将细述其工作原理，让你在会用的基础之上理解其内部工作过程。

Ping工作原理

Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。

Ping的完整工作流程：

Ping本质上是ICMP数据包，所以其工作流程就是ICMP数据包的发送与解析流程。大致流程如下：

构造ICMP数据包-->构造IP数据包-->构造以太网数据帧----物理传输到目标主机---->获取以太网数据帧-->解析出IP数据包-->解析出ICMP数据包-->发送回送应答报文

本地主机处理流程：

1. 在本地，ping命令会构建一个ICMP数据包（构造回送请求报文）

2. 将该ICMP数据包和目标IP地址给IP协议，IP协议将本地地址作为源地址，与目的地址等构造IP数据包

3. 根据本地ARP缓存查找目的地址IP对应的MAC地址，如果缓存中没有则通过ARP协议找到对应IP的MAC地址。将MAC地址交给数据链路层以构造数据帧

4. 经物理层发送给目的主机

目的主机处理流程：

1. 目的主机接收到数据包

2. 物理层接收到二进制数据流经数据链路层，按照以太网协议解析出数据帧，如果数据帧中的目标MAC地址与本机MAC地址相同，则接收该数据包，否则丢弃该数据包。

3. 接收到该数据包之后，经网络层解析出IP数据包，通过IP包头中的协议字段判断出是ICMP数据包。之后解析出ICMP数据包，发现是回送请求报文（ping request）后马上构建一个ICMP回送应答报文（ping reply）

4. 将封装好的ICMP数据包经网络层、数据链路层、物理层发送回源主机

所以，Ping的本质其实就是ICMP回送请求报文和回送应答报文。我们可通过Wireshark抓包工具对Ping进行分析。使用ping命令：

在这里插入图片描述

本机会向远端主机发送ICMP回送请求报文。

在这里插入图片描述

远端主机收到后会发送回送应答报文：

在这里插入图片描述

Traceroute工作原理

Traceroute也是ICMP的一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。有2种实现方案：基于UDP实现和基于ICMP实现。

基于UDP实现traceroute工作原理

在基于UDP的实现中，客户端发送的数据包是通过UDP协议来传输的，使用了一个大于30000的端口号，服务器在收到这个数据包的时候会返回一个端口不可达的ICMP错误信息， 客户端通过判断收到的错误信息是TTL超时还是端口不可达来判断数据包是否到达目标主机。 流程如下：

1. 源主机向目的主机发送一连串的 IP 数据报（UDP报文）。第一个数据报 P1 的生存时间 TTL 设置为 1，当 P1 到达路径上的第一个路由器 R1 时，R1 收下它并把 TTL 减 1，此时 TTL 等于 0，R1 就把 P1 丢弃，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报告报文；

2. 源主机接着发送第二个数据报 P2，并把 TTL 设置为 2。P2 先到达 R1，R1 收下后把 TTL 减 1 再转发给 R2，R2 收下后也把 TTL 减 1，由于此时 TTL 等于 0，R2 就丢弃 P2，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报文。

3. 不断执行这样的步骤，直到最后一个数据报刚刚到达目的主机，主机不转发数据报，也不把 TTL 值减 1。但是因为数据报封装的是无法交付的 UDP，因此目的主机要向源主机发送 ICMP 终点不可达差错报告报文。

4. 之后源主机知道了到达目的主机所经过的路由器 IP 地址以及到达每个路由器的往返时间。

Linux中的traceroute就是这种实现方式。

基于ICMP实现的tracert工作原理

在这一种实现中我们不使用UDP协议，而是直接发送一个ICMP回显请求（echo request）数据包，服务器在收到回显请求的时候会向客户端发送一个ICMP回显应答（echo reply）数据包。流程与上面相似，只是最后判断结束上为目标主机（而不是中间经过的主机或路由器）返回一个ICMP回显应答，则结束。

Windows中的tracert就是这种实现方式。利用Wireshark分析如下：

在cmd下输入 tracert www.baidu.com ：

在这里插入图片描述

每一跳默认发送三个数据包，我们会看到下面这样的输出：

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

可以看到TTL逐个递增，并且最终到达目的主机180.97.33.107，到达目的主机，目的主机回复，终止。