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我們之前的文章中了解過 TCP/IP 協(xié)議，我那時候碼了一句

原文鏈接見如下：

下面我們就來真正認(rèn)識一下 ICMP 協(xié)議

什么是 ICMP

ICMP 的全稱是 Internet Control Message Protocol(互聯(lián)網(wǎng)控制協(xié)議)，它是一種互聯(lián)網(wǎng)套件，它用于IP 協(xié)議中發(fā)送控制消息。也就是說，ICMP 是依靠 IP 協(xié)議來完成信息發(fā)送的，它是 IP 的主要部分，但是從體系結(jié)構(gòu)上來講，它位于 IP 之上，因為 ICMP 報文是承載在 IP 分組中的，就和 TCP 與 UDP 報文段作為 IP 有效載荷被承載那樣。這也就是說，當(dāng)主機收到一個指明上層協(xié)議為 ICMP 的 IP 數(shù)據(jù)報時，它會分解出該數(shù)據(jù)報的內(nèi)容給 ICMP，就像分解數(shù)據(jù)報的內(nèi)容給 TCP 和 UDP 一樣。

ICMP 協(xié)議和 TCP、UDP 等協(xié)議不同，它不用于傳輸數(shù)據(jù)，只是用來發(fā)送消息。因為 IP 協(xié)議現(xiàn)在有兩類版本：IPv4 和 IPv6 ，所以 ICMP 也有兩個版本：ICMPv4 和 ICMPv6。

ICMP 的主要功能

對于 ICMP 的功能，主要分為兩個

ICMP 的第一個功能是確認(rèn) IP 包是否能夠成功到達(dá)目標(biāo)地址，當(dāng)兩個設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)相連時，任意一個設(shè)備發(fā)送給另一個設(shè)備的 IP 包如果沒有到達(dá)，就會生成 ICMP 數(shù)據(jù)包發(fā)送給設(shè)備共享。
ICMP 的第二個功能是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷，經(jīng)常使用 ICMP 數(shù)據(jù)包的兩個終端程序是 ping 和 traceroute，traceroute 程序用于顯示兩臺互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間可能的路徑并測量數(shù)據(jù)包在 IP 網(wǎng)絡(luò)上的時延。ping 程序是 traceroute 的簡化版本，我們經(jīng)常使用 ping 命令來測試兩臺設(shè)備之間是否互聯(lián)，ping 通常用來測試兩臺主機之間的連接速度，并準(zhǔn)確報告數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地并返回后所花費的時間。

現(xiàn)在我們知道了，如果在 IP 通信過程中由于某個 IP 包由于某種原因未能到達(dá)目標(biāo)主機，那么這個具體的原因?qū)⒂?ICMP 進(jìn)行通知，下面是一個 ICMP 的通知示意圖

上面我們只是畫出了路由器 2 給主機 A 發(fā)送了一個 ICMP 數(shù)據(jù)包，而沒有畫出具體的通知類型，但實際情況是，上面發(fā)送的是目標(biāo)不可達(dá)類型(Destination unreachable)，ICMP 也是具有不同的通知類型的，下面我們匯總了 ICMP 數(shù)據(jù)包的具體通知類型。

通知類型(十進(jìn)制數(shù))	具體內(nèi)容
0	回送應(yīng)答(Echo Reply)
3	目標(biāo)不可達(dá)(Destination Unreachable)
4	原點抑制(Source Quench)
5	重定向或改變路由(Redirect)
8	回送請求(Echo Request)
9	路由器公告(Router Advertisement)
10	路由器請求(Router Solicitation)
11	ICMP 超時(Time Exceeded)
17	地址子網(wǎng)請求(Address Mask Request)
18	地址子網(wǎng)應(yīng)答(Address Mask Reply)

上表顯示的 ICMP 通知類型主要分為兩類：有關(guān) IP 數(shù)據(jù)報傳遞的 ICMP 報文，這類報文也叫做差錯報文(error message)，以及有關(guān)信息采集和配置的 ICMP 報文，這類報文也被稱為查詢 query 或者信息類報文。

信息類報文包括回送請求和回送應(yīng)答(類型 8 和類型 0 )，路由器公告和路由器請求(類型 9 和類型 0 )。最常見的差錯報文類型包括目標(biāo)不可達(dá)(類型 3 )、重定向(類型 5)、超時(類型 11)。

ICMP 在 IPv4 和 IPv6 的封裝

我們知道，ICMP 是承載在 IP 內(nèi)部的，而且 IPv4 和 IPv6 的封裝位置不同：

ICMP 在 IPv4 協(xié)議中的封裝

ICMP 在 IPv6 協(xié)議中的封裝

上面兩張圖顯示了 ICMPV4 和 ICMPv6 的報文格式。開頭的 4 個字節(jié)在所有的報文中都是一樣的。但是其余部分在不同的報文中卻不一樣。

ICMP 頭部包含了整個 ICMP 數(shù)據(jù)段的校驗和，具體格式如下

所有的 ICMP 報文都以 8 位的類型(Type) 和代碼(Code) 字段開始，其后的 16 位校驗和涵蓋了整個報文，ICMPv4 和 ICMPv6 種的類型和代碼字段是不同的。

ICMP 的主要消息

ICMP 目標(biāo)不可達(dá)(類型 3)

我們知道，路由器無法將 IP 數(shù)據(jù)報發(fā)送給目標(biāo)地址時，會給發(fā)送端主機返回一個目標(biāo)不可達(dá)(Destination Unreachable Message) 的 ICMP 消息，并且會在消息中顯示不可達(dá)的具體原因。

實際通信過程中會顯示各種各樣的不可達(dá)信息，比如錯誤代碼時 1 表示主機不可達(dá)，它指的是路由表中沒有主機的信息，或者主機沒有連接到網(wǎng)絡(luò)的意思。一些 ICMP 不可達(dá)信息的具體原因如下

錯誤號	ICMP 不可達(dá)消息
0	0 = net unreachable 網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)
1	1 = host unreachable 主機不可達(dá)
2	2 = protocol unreachable 協(xié)議不可達(dá)
3	3 = port unreachable 端口不可達(dá)
4	4 = fragmentation needed and DF set 需要進(jìn)行分片但設(shè)置不分片比特
5	5 = source route failed 源站選路失敗
6	6 = Destination network unknown 目的網(wǎng)絡(luò)不認(rèn)識
7	7 = Destination host unknown 目的主機不認(rèn)識
8	8 = Source host isolated (obsolete)源主機被隔離（作廢不用）
9	9 = Destination network administratively prohibited 目的網(wǎng)絡(luò)被強制禁止
10	10 = Destination host administratively prohibited目的主機被強制禁止
11	11 = Network unreachable for Type Of Service 由于 TOS，網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)
12	12 = Host unreachable for Type Of Service 由于 TOS，主機不可達(dá)

ICMP 重定向消息(類型 5)

如果路由器發(fā)現(xiàn)發(fā)送端主機使用了次優(yōu)的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)，那么它會返回一個 ICMP 重定向(ICMP Redirect Message) 的消息給這個主機。這個 ICMP 重定向消息包含了最合適的路由信息和源數(shù)據(jù)。這種情況會發(fā)生在路由器持有更好的路由信息的情況下。路由器會通過這樣的 ICMP 消息給發(fā)送端主機一個更合適的發(fā)送路由。

主機 Host 的 IP 地址為 10.0.0.100。主機的路由表中有一個默認(rèn)路由條目，指向路由器 G1 的 IP 地址 10.0.0.1 作為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。路由器 G1 在將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的網(wǎng)絡(luò) X 時，會使用路由器 G2 的 IP 地址 10.0.0.2 作為下一跳。

當(dāng)主機向目的網(wǎng)絡(luò) X 發(fā)送數(shù)據(jù)包時，會發(fā)生以下情況

IP 地址為 10.0.0.1 的網(wǎng)關(guān) G1 在其所連接的網(wǎng)絡(luò)上接收來自 10.0.0.100 的數(shù)據(jù)包。
網(wǎng)關(guān) G1 檢查其路由表，并在通往數(shù)據(jù)包目的網(wǎng)絡(luò) X 的路由中獲取下一個網(wǎng)關(guān) G2 的 IP 地址 10.0.0.2。
如果 G2 和 IP 數(shù)據(jù)包的源地址標(biāo)識的主機位于同一網(wǎng)絡(luò)中(也就是 Host 主機)，那么 G1 會向主機發(fā)送 ICMP 重定向消息。ICMP 重定向消息建議主機直接將發(fā)送到網(wǎng)絡(luò) X 的數(shù)據(jù)包發(fā)送至 G2，因為 Host - G2 這是通往目的地的較短路徑。
網(wǎng)關(guān) G1 將原始數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其目的地。

當(dāng)然，根據(jù)主機的配置，Host 主機也可以選擇忽略 G1 給它發(fā)送的 ICMP 重定向消息。但是，這樣就享受不到 ICMP 重定向帶來的兩大好處，即

優(yōu)化數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)路徑；流量更快到達(dá)目的地
降低網(wǎng)絡(luò)資源利用率，例如帶寬和路由器 CPU 負(fù)載

如果 Host 主機采用了 ICMP 提供的重定向路徑的話，那么 Host 就會直接把數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò) X，如下圖所示

在主機為 G2 作為下一跳的網(wǎng)絡(luò) X 創(chuàng)建路由緩存條目后，這些優(yōu)勢在網(wǎng)絡(luò)中可見：

交換機和路由器 G1 之間鏈路的帶寬利用率在兩個方向上都會降低
由于從主機到網(wǎng)絡(luò) X 的流量不再流經(jīng)此節(jié)點，因此路由器 G1 的 CPU 使用率降低
主機和網(wǎng)絡(luò) X 之間的端到端網(wǎng)絡(luò)延遲得到改善。

ICMP 重定向示例如下

ICMP 超時消息(類型 11)

在 IP 數(shù)據(jù)包中有一個叫做 TTL(Time To Live, 生存周期) ，它的值在每經(jīng)過路由器一跳之后都會減 1，IP 數(shù)據(jù)包減為 0 時會被丟棄。此時，IP 路由器會發(fā)送一個 ICMP 超時消息(ICMP TIme Exceeded Message, 錯誤號 0)發(fā)送給主機，通知該包已經(jīng)被丟棄。

設(shè)置生存周期的主要目的就是為了防止路由器控制遇到問題發(fā)生循環(huán)狀況時，避免 IP 包無休止的在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)，如下圖所示

這里給大家推薦一款比較好用的追蹤超時消息的工具 traceroute，它可以顯示出由執(zhí)行程序的主機到達(dá)特定主機之前需要經(jīng)過多少路由器。traceroute 的官網(wǎng)如下 http://www.traceroute.org

ICMP 回送消息(類型 0 和類型 8)

ICMP 回送消息用于判斷相互通信的主機之間是否連通，也就是判斷所發(fā)送的數(shù)據(jù)包是否能夠到達(dá)目標(biāo)主機。可以向?qū)Χ酥鳈C發(fā)送回送請求的消息(ICMP Echo Request Message,類型 8)，也可以接收對端主機發(fā)送來的回送消息(ICMP Echo Reply Message, 類型 0 )。網(wǎng)絡(luò)上最常用的 ping 命令就是利用這個實現(xiàn)的。

其他 ICMP 消息

ICMP 原點抑制消息(類型 4)

在使用低速率網(wǎng)絡(luò)的情況下，網(wǎng)絡(luò)通信可能會遇到網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下，ICMP 的原點抑制就是為了應(yīng)對這種情況的。當(dāng)路由器向低速線路發(fā)送數(shù)據(jù)時，其發(fā)送隊列的殘存數(shù)據(jù)報變?yōu)?0 從而無法發(fā)送時，可以向 IP 數(shù)據(jù)報的源地址發(fā)送一個 ICMP 原點抑制(ICMP Source Quench Message) 消息，收到這個消息的主機了解到線路某處發(fā)生了擁堵，從而抑制 IP 數(shù)據(jù)報的發(fā)送。

不過這個 ICMP 消息可能會引起不公平的網(wǎng)絡(luò)通信，一般不被使用。

ICMP 路由器探索消息(類型 9、10)

ICMP 路由器探索消息主要用于路由器發(fā)現(xiàn)(Router Discovery, RD)，它主要分為兩種，路由器請求(Router Solicitation, 類型 10) 和路由器響應(yīng)(Router Advertisement, 類型 9)。主機會在任意路由連接組播的網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一個 RS 消息，想要選擇一個路由器進(jìn)行學(xué)習(xí)，以此來作為默認(rèn)路由，而相對應(yīng)的該路由會發(fā)送一個 RA 消息來作為默認(rèn)路由的響應(yīng)。

ICMP 地址掩碼消息(類型 17、18)

主要用于主機或者路由器想要了解子網(wǎng)掩碼的情況。可以向那些目標(biāo)主機或路由器發(fā)送 ICMP 地址掩碼請求消息(ICMP Address Mask Request, 類型 17) 和 ICMP 地址掩碼應(yīng)答消息(ICMP Address Mask Reply, 類型 18) 獲取子網(wǎng)掩碼信息。

ICMPv6

ICMPv6 的作用

IPv4 中 ICMP 僅僅作為一個輔助作用支持 IPv4。也就是說，在 IPv4 時期，即使沒有 ICMP，也能進(jìn)行正常的 IP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，也就是 IP 通信。但是在 IPv6 中，ICMP 的作用被放大了，如果沒有 ICMP，則不能進(jìn)行正常的 IP 通信。

尤其在 IPv6 中，從 IP 定位 MAC 地址的協(xié)議從 ARP 轉(zhuǎn)為 ICMP 的鄰居探索消息(Neighbor Discovery) 。這種鄰居探索消息融合了 IPv4 的 ARP、ICMP 重定向以及 ICMP 的路由選擇等功能于一體。甚至還提供了自動設(shè)置 IP 的功能。

在 IPv6 中，ICMP 消息主要分為兩類：一類是錯誤消息，一類是信息消息。0 - 127 屬于錯誤消息；128 - 255 屬于信息消息。

RFC 2463 中描述了以下消息類型：

類型	描述
1	目標(biāo)不可達(dá) Destination Unreachable
2	數(shù)據(jù)包太大 Packet Too Big
3	超時 Time Exceeded
4	參數(shù)問題 Parameter Problem
128	回送請求消息 Echo Request
129	回送應(yīng)答消息 Echo Reply
130	多播監(jiān)聽查詢 Multicast Listener Query
131	多播監(jiān)聽報告 Multicast Listener Report
132	多播監(jiān)聽結(jié)束 Multicast Listener Done
133	路由器請求消息 Router Solicitation
134	路由器公告消息 Router Advertisement
135	鄰居請求消息 Neighbor Solicitation
136	鄰居宣告消息 Neighbor Advertisement
137	重定向消息 Redirect Message
138	路由器重編號 Router Renumbering
139	信息查詢 ICMP Node Information Query
140	信息應(yīng)答 ICMP Node Information Response
141	反鄰居探索請求消息 Inverse Neighbor Discovery Solicitation
142	反鄰居探索宣告消息 Inverse Neighbor Discovery Advertisement

ICMPv6 除了包含 ICMPv4 的所有功能外，還有兩個額外的功能。

ICMPv6 鄰居探索

鄰居探索是 ICMPv6 非常重要的功能，主要表示的類型是 133 - 137 之間的消息叫做鄰居探索消息。這種鄰居探索消息對于 IPv6 通信起到舉足輕重的作用。鄰居請求消息用于查詢 IPv6 地址于 MAC 地址的對應(yīng)關(guān)系。鄰居請求消息利用 IPv6 的多播地址實現(xiàn)傳輸。

此外，由于 IPv6 實現(xiàn)了即插即用的功能，所以在沒有 DHCP 服務(wù)器的環(huán)境下也能實現(xiàn) IP 地址的自動獲取。如果是一個沒有路由器的網(wǎng)絡(luò)，就使用 MAC 地址作為鏈路本地單播地址。如果在一個有路由器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以從路由器獲得 IPv6 地址的前面部分，后面部分使用 MAC 地址進(jìn)行設(shè)置。此時可以利用路由器請求消息和路由器公告消息進(jìn)行設(shè)置。