Ping程序与Traceroute程序的原理（五）

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（参考文献）TCP/IP详解，卷1：协议

“ping”这个名字来源于声呐定位操作。目的是为了测试另外一台主机是否可以到达。该程序发送一份ICMP回显请求报文给主机，并等待返回ICMP回显应答。

一般来说，如果不能ping到某台主机那么就不能Telnet或者FTP到那台主机。反过来，如果不能Telnet到某台主机，那么通常可以用ping程序来确定问题出在哪里。Ping程序还能测出到这台主机的往返时间，以表明该主机离我们有“多远”。

Ping程序

我们称发送回显请求的ping为客户，而被ping的主机称为服务器。大多数的TCP/IP实现都在内核中直接支持ping服务器。

Ping程序发送的ICMP回显请求和回显应答报文如下图：

Unix在实现Ping程序时，是把ICMP中的标识字段设置成发送进程的ID号。这样即使在同一台主机上同时运行了多个ping程序，ping程序也可以识别出对应的往返信息。

序列号从0开始，每发送一次新的回显请求就加1。Ping程序打印出返回的每个分组的序列号，允许我们查看是否有分组丢失、失序或重复。IP是一种尽力而为的数据报传输服务，因此这三个条件都有可能发生。

在局域网运行ping程序一般输出如下格式：

64 bytes from 192.168.8.1: icmp_req=1 ttl=64 time=1.04 ms
64 bytes from 192.168.8.1: icmp_req=2 ttl=64 time=1.05 ms
64 bytes from 192.168.8.1: icmp_req=3 ttl=64 time=1.06 ms
64 bytes from 192.168.8.1: icmp_req=4 ttl=64 time=1.41 ms
64 bytes from 192.168.8.1: icmp_req=5 ttl=64 time=1.41 ms
64 bytes from 192.168.8.1: icmp_req=6 ttl=64 time=1.20 ms
64 bytes from 192.168.8.1: icmp_req=7 ttl=64 time=1.42 ms
64 bytes from 192.168.8.1: icmp_req=8 ttl=64 time=0.649 ms

当返回ICMP回显应答时，要打印出序列号和TTl，并计算往返时间。Ping程序通过在ICMP报文中存放发送请求的时间值来计算往返时间。当应答返回时，用当前时间减去存放在ICMP报文中的时间值，及是往返时间。

IP记录路由选项

这个过程听起来很简单，但存在一些缺陷。源端主机生成RR选项，中间路由器对RR选项的处理，以及把ICMP回显请求中的RR清单复制到ICMP应答中，所有这些都是选项功能。幸运的是，现在大多数路由器都支持这些选项功能，只有一些系统不把ICMP请求中的IP清单复制到ICMP应答中。

但是，最大的问题是IP首部中只有有限的空间来存放IP地址。在以上图中，我们可以看到，IP首部长度字段只有4bit，因此整个IP首部最长只能包括15个32bit长的字（及60个字节）。由于ip首部固定长度为20字节，RR宣明星用去3个字节，这样只剩下37个字节来存放IP地址清单（60-20-3），也就是说只能存放9个IP地址。

IP数据报中的RR选项格式如下：

Traceroute原理Code是一个字节，指明IP选项的类型。对应RR选项来说，他的值为7.len是RR选项总字节长度，在这种情况下为39.（尽管可以为RR选项在、设置比最大长度小的长度，但是Ping程序总是提供39字节的选项字段，最多可以记录9个IP地址，由于IP首部留给选项的空间有限，他一般情况下都设置成最大长度）

    Ptr称作指针字段。他是一个基于1的指针，他指向存放下一个IP地址的位置，他的最小值为4，指向存放第一个IP地址的位置，随着每个IP地址存入清单，prt的值分别为8、12最大到36.当记录下9个IP地址之后，ptr的值为40，表示清单已满。

Traceroute程序

Traceroute程序可以让我们看到IP数据报从以太主机传到另外一台主机所经过的路由。

Traceroute程序的操作

既然有IP记录路由选项（RR），为什么不使用这个路由选项，而要另外开发一个新的应用程序呢？主要有三个方面的原因，首先，以前并不是所有的路由器都支持记录路由选项，因此该选项在某些路径上不能使用。

其次，记录路由一般是单项的选项。发送端设置了该选项，那么接收端不得不从收到的IP首部中提取出所有的信息，然后全部返回给发送端。大多数Ping服务器的实现把接收到的RR清单返回但是这样使得记录下来的IP地址翻了一番。

最后一个原因也是最主要的原因，IP首部中留给选项的空间有限，不能存放当前大多数的路径。

Traceroute程序原理

Traceroute程序使用ICMP报文和和IP首部中的TTL字段（生存周期）。

每个处理数据报的路由器都要把TTL的值减去1或者减去数据报在路由器中停留的秒数。由于大多数的路由器转发数据报的延时都小于1秒钟，因此TTL最终成为一个跳站的计数器，所经过的每个路由器都将其值减1.

TTL字段的目的是防止数据报在选路时无休止的在网络中流动。例如，当路由器瘫痪或者两个路由器之间的连接丢失时，选路协议有时回去检查丢失的路由器并一直进行下去。TTL字段就是在这些寻暖传递的数据报上加上一个生存上限。

当路由器收到一份IP数据报，如果TTL字段是0或者1，则路由器不转发该数据报（接收到这种数据报的目的主机可以将它交给应用程序，这是因为不需要转发该数据报。但是，在通常情况下系统不应该接收TTL字段为0的数据报）。通常情况下是，路由器将该数据报丢弃，并给信源主机发送一份ICMP超时信息。Tracerouter程序的关键在于，这份ICMP超时信息包含了该路由器的地址。

那么，Tracerouter就通过发送一份TTL字段为1的IP数据报给目的主机。处理这份数据报的第一个路由器将TTL值减去1，丢弃该数据报，并回发一份超时ICMP报文。这样就得到了该路径中的第一个路由器的IP地址。然后Tracerouter发送一份TTL为2的数据报，这样就得到了第二个路由器的IP地址。那么，继续这个过程，直到达到目的主机。即使目的主机接收到一份TTL值为1的数据报也不会丢弃该数据报并产生一份ICMP报文，因为已经到达最终目的地。这个时候，Tracerouter程序发送一份UDP数据报给目的主机，但选择一个不可能的值作为目的端口号（大于30000），使得目的主机的任何一个程序都不可能使用该端口。因为，当该数据报到达时，将使目的主机的UDP模块产生一份“端口不可达”错误的ICMP报文，这样Tracerouter程序要做的就是区分搜到的ICMP报文是是超时还是端口不可达，以判断什么时候结束。

Ping程序与Traceroute程序的原理（五）

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