ICMP協議及應用例項（Ping，Traceroute）
ICMP協議
在網際網路傳輸過程中，IP資料報難免會出現差錯，通常出現差錯，處理方法就是丟棄，但是一般，出現差錯後，會發送ICMP報文給主機，告訴它一些差錯資訊，以及對當前的網路狀態進行一個探尋。可以說，ICMP的主要目的是用於在TCP/IP網路中傳送出錯和控制訊息。
ICMP報文封裝如下：
主要ICMP報文
ICMP報文主要分三類，即差錯報告報文、控制報文、請求/應答報文，如下圖所示：
目的不可達(Destination Unreachable Message)
0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Type | Code | Checksum | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | unused | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
當路由器收到一個無法傳遞下去的IP報文時，會發送ICMP目的不可達報文（Type為3）給IP報文的源傳送方。報文中的Code就表示傳送失敗的原因。
超時(Time Exceeded Message)
0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Type | Code | Checksum | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | unused | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
網路傳輸IP資料報的過程中，如果IP資料包的TTL值逐漸遞減為0時，需要丟棄資料報。這時，路由器需要向源傳送方傳送ICMP超時報文(Type為11)，Code為0，表示傳輸過程中超時了。
一個IP資料報可能會因為過大而被分片，然後在目的主機側把所有的分片重組。如果主機遲遲沒有等到所有的分片報文，就會向源傳送方傳送一個ICMP超時報文，Code為1，表示分片重組超時了。
引數錯誤報文(Parameter Problem Message)
0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Type | Code | Checksum | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Pointer | unused | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
當路由器或主機處理資料報時，發現因為報文頭的引數錯誤而不得不丟棄報文時，需要向源傳送方傳送引數錯誤報文(Type為12)。當Code為0時，報文中的Pointer表示錯誤的位元組位置。
源抑制(Source Quench Message)
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Type | Code | Checksum |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| unused |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
路由器在處理報文時會有一個快取佇列。如果超過最大快取佇列，將無法處理，從而丟棄報文。並向源傳送方發一個ICMP源抑制報文(Type為4)，告訴對方降低傳送速率。
重定向(Redirect Message)
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Type | Code | Checksum |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Gateway Internet Address |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Internet Header + 64 bits of Original Data Datagram |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
當路由收到IP資料報，發現數據報的目的地址在路由表上沒有，它就會發ICMP重定向報文(Type為5)給源傳送方，提醒它想要傳送的地址不在，去其他地方找找吧。
請求回顯或回顯應答(Echo or Echo Reply Message)
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Type | Code | Checksum |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Identifier | Sequence Number |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Data ...
+-+-+-+-+-
Type(8)是請求回顯報文(Echo)；Type(0)是回顯應答報文(Echo Reply)。
請求回顯或回顯應答報文屬於查詢報文。Ping就是用這種報文進行查詢和迴應。
資訊請求或資訊響應(Information Request or Information Reply Message)
0 1 2 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Type | Code | Checksum |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| Identifier | Sequence Number |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
這種報文是用來找出一個主機所在的網路個數（一個主機可能會在多個網路中）。報文的IP訊息頭的目的地址會填為全0，表示this，源地址會填為源IP所在的網路IP。
最後，補充一張ICMP報文型別碼錶：
更多可參考協議文件
幾種不傳送 ICMP差錯報告報文的特殊情況
在有些情況下，為了防止在網路中產生大量的ICMP差錯報文（廣播風暴），影響網路的正常工作，即使發生差錯，也不會產生ICMP差錯報文，這些情況包括：
- 對ICMP差錯報告報文不再發送 ICMP差錯報告報文
- 除第1個IP資料報分片外， 對所有後續分片均不傳送ICMP差錯報告報文
- 對所有多播IP資料報均不傳送 ICMP差錯報告報文
- 對具有特殊地址（ 如127.0.0.0 或 0.0.0.0） 的IP資料報不傳送ICMP 差錯報告報文
ICMP應用例項——Ping
Ping 是 ICMP 的一個重要應用，主要用來測試兩臺主機之間的連通性。
Ping 的原理是通過向目的主機發送 ICMP Echo 請求報文，目的主機收到之後會發送 Echo 回答報文。Ping 會根據時間和成功響應的次數估算出資料包往返時間以及丟包率。
Ping的完整工作流程：
Ping本質上是ICMP資料包，所以其工作流程就是ICMP資料包的傳送與解析流程。
大致流程如下：
構造ICMP資料包–>構造IP資料包–>構造乙太網資料幀----物理傳輸到目標主機---->獲取乙太網資料幀–>解析出IP資料包–>解析出ICMP資料包–>傳送回送應答報文
本地主機處理流程：
- 在本地，ping命令會構建一個ICMP資料包（構造回送請求報文）
- 將該ICMP資料包和目標IP地址給IP協議，IP協議將本地地址作為源地址，與目的地址等構造IP資料包
- 根據本地ARP快取查詢目的地址IP對應的MAC地址，如果快取中沒有則通過ARP協議找到對應IP的MAC地址。將MAC地址交給資料鏈路層以構造資料幀
- 經物理層傳送給目的主機
目的主機處理流程：
0. 目的主機接收到資料包
- 物理層接收到二進位制資料流經資料鏈路層，按照乙太網協議解析出資料幀，如果資料幀中的目標MAC地址與本機MAC地址相同，則接收該資料包，否則丟棄該資料包。
- 接收到該資料包之後，經網路層解析出IP資料包，通過IP包頭中的協議欄位判斷出是ICMP資料包。之後解析出ICMP資料包，發現是回送請求報文（ping request）後馬上構建一個ICMP回送應答報文（ping reply）
- 將封裝好的ICMP資料包經網路層、資料鏈路層、物理層傳送回源主機
所以，Ping的本質其實就是ICMP回送請求報文和回送應答報文。我們可通過Wireshark抓包工具對Ping進行分析。使用ping命令：
本機會向遠端主機發送ICMP回送請求報文。
遠端主機收到後會傳送回送應答報文：
在這裡補充一張IP資料報格式圖：
ICMP應用例項——Traceroute
Traceroute 是 ICMP 的另一個應用，用來跟蹤一個分組從源點到終點的路徑。有2種實現方案：基於UDP實現和基於ICMP實現。
基於UDP實現traceroute工作原理：
在基於UDP的實現中，客戶端傳送的資料包是通過UDP協議來傳輸的，使用了一個大於30000的埠號，伺服器在收到這個資料包的時候會返回一個埠不可達的ICMP錯誤資訊，客戶端通過判斷收到的錯誤資訊是TTL超時還是埠不可達來判斷資料包是否到達目標主機。流程如下：
- 源主機向目的主機發送一連串的 IP 資料報（UDP報文）。第一個資料報 P1 的生存時間 TTL 設定為 1，當 P1 到達路徑上的第一個路由器 R1 時，R1 收下它並把 TTL 減 1，此時 TTL 等於 0，R1 就把 P1 丟棄，並向源主機發送一個 ICMP 時間超過差錯報告報文；
- 源主機接著傳送第二個資料報 P2，並把 TTL 設定為 2。P2 先到達 R1，R1 收下後把 TTL 減 1 再轉發給 R2，R2 收下後也把 TTL 減 1，由於此時 TTL 等於 0，R2 就丟棄 P2，並向源主機發送一個 ICMP 時間超過差錯報文。
- 不斷執行這樣的步驟，直到最後一個數據報剛剛到達目的主機，主機不轉發資料報，也不把 TTL 值減 1。但是因為資料報封裝的是無法交付的 UDP，因此目的主機要向源主機發送 ICMP 終點不可達差錯報告報文。
- 之後源主機知道了到達目的主機所經過的路由器 IP 地址以及到達每個路由器的往返時間。
Linux中的traceroute就是這種實現方式。
基於ICMP實現的tracert工作原理：
在這一種實現中我們不使用UDP協議，而是直接傳送一個ICMP回顯請求（echo request）資料包，伺服器在收到回顯請求的時候會向客戶端傳送一個ICMP回顯應答（echo reply）資料包。流程與上面相似，只是最後判斷結束上為目標主機（而不是中間經過的主機或路由器）返回一個ICMP回顯應答，則結束。
Windows中的tracert就是這種實現方式。利用Wireshark分析如下：
在cmd下輸入tracert www.baidu.com：
每一跳預設傳送三個資料包，我們會看到下面這樣的輸出：
可以看到TTL逐個遞增，並且最終到達目的主機180.97.33.107，到達目的主機，目的主機回覆，終止。