我們在遇到網絡不通的情況，大家都知道去 ping 一下，看一下網絡狀況。
那你知道「ping」指令後背的邏輯是什麼嗎？知道它是如何實作的嗎？
一、「ping」指令的作用和原理？
簡單來說，「ping」是用來探測本機與網絡中另一主機之間是否可達的指令，如果兩台主機之間ping不通，則表明這兩台主機不能建立起連接配接。ping是定位網絡通不通的一個重要手段。
ping 指令是基于 ICMP 協定來工作的，「 ICMP 」全稱為 Internet 控制封包協定（ Internet Control Message Protocol）。ping 指令會發送一份ICMP回應要求封包給目标主機，并等待目标主機傳回ICMP回應答覆。因為ICMP協定會要求目标主機在收到消息之後，必須傳回ICMP應答消息給源主機，如果源主機在一定時間内收到了目标主機的應答，則表明兩台主機之間網絡是可達的。
舉一個例子來描述「ping」指令的工作過程：
- 假設有兩個主機，主機A（192.168.0.1）和主機B（192.168.0.2），現在我們要監測主機A和主機B之間網絡是否可達，那麼我們在主機A上輸入指令：ping 192.168.0.2
- 此時，ping指令會在主機A上建構一個 ICMP的請求資料包（資料包裡的内容後面再詳述），然後 ICMP協定會将這個資料包以及目标IP（192.168.0.2）等資訊一同交給IP層協定。
- IP層協定得到這些資訊後，将源位址（即本機IP）、目标位址（即目标IP：192.168.0.2）、再加上一些其它的控制資訊，建構成一個IP資料包。
- IP資料包建構完成後，還不夠，還需要加上MAC位址，是以，還需要通過ARP映射表找出目标IP所對應的MAC位址。當拿到了目标主機的MAC位址和本機MAC後，一并交給資料鍊路層，組裝成一個資料幀，依據以太網的媒體通路規則，将它們傳送出出去。
- 當主機B收到這個資料幀之後，會首先檢查它的目标MAC位址是不是本機，如果是就接收下來處理，接收之後會檢查這個資料幀，将資料幀中的IP資料包取出來，交給本機的IP層協定，然後IP層協定檢查完之後，再将ICMP資料包取出來交給ICMP協定處理，當這一步也處理完成之後，就會建構一個ICMP應答資料包，回發給主機A
- 在一定的時間内，如果主機A收到了應答包，則說明它與主機B之間網絡可達，如果沒有收到，則說明網絡不可達。除了監測是否可達以外，還可以利用應答時間和發起時間之間的內插補點，計算出資料包的延遲耗時。
通過ping的流程可以發現，ICMP協定是這個過程的基礎，是非常重要的，是以下面就把ICMP協定再詳細解釋一下。
二、什麼是「 ICMP 」？
我們知道，ping指令是基于ICMP協定來實作的。那麼我們再來看下圖，就明白了ICMP協定又是通過IP協定來發送的，即ICMP封包是封裝在IP包中。
IP協定是一種無連接配接的，不可靠的資料包協定，它并不能保證資料一定被送達，那麼我們要保證資料送到就需要通過其它子產品來協助實作，這裡就引入的是ICMP協定。
當傳送的IP資料包發送異常的時候，ICMP就會将異常資訊封裝在包内，然後回傳給源主機。
将上圖再細拆一下可見：
繼續将ICMP協定子產品細拆:
由圖可知，ICMP資料包由8bit的類型字段和8bit的代碼字段以及16bit的校驗字段再加上選項資料組成。
ICMP協定大緻可分為兩類：
- 查詢封包類型
- 差錯封包類型
- 查詢封包類型：
查詢封包主要應用于：ping查詢、子網路遮罩查詢、時間戳查詢等等。
上面講到的ping指令的流程其實就對應ICMP協定查詢封包類型的一種使用。在主機A建構ICMP請求資料包的時候，其ICMP的類型字段中使用的是 8 （回送請求），當主機B建構ICMP應答包的時候，其ICMP類型字段就使用的是 0 （回送應答），更多類型值參考上表。
對 查詢封包類型 的了解可參考一下文章最開始講的ping流程，這裡就不做贅述。
- 差錯封包類型：
差錯封包主要産生于當資料傳送發送錯誤的時候。
它包括：目标不可達（網絡不可達、主機不可達、協定不可達、端口不可達、禁止分片等）、逾時、參數問題、重定向（網絡重定向、主機重定向等）等等。
差錯封包通常包含了引起錯誤的IP資料包的第一個分片的IP首部，加上該分片資料部分的前8個位元組。
當傳送IP資料包發生錯誤的時候（例如 主機不可達），ICMP協定就會把錯誤資訊封包，然後傳送回源主機，那麼源主機就知道該怎麼處理了。
那是不是隻有遇到錯誤的時候才能使用 差錯封包類型 呢？也不一定。
Traceroute 就是一個例外，Traceroute是用來偵測源主機到目标主機之間所經過路由情況的常用工具。Traceroute 的原理就是利用ICMP的規則，制造一些錯誤的事件出來，然後根據錯誤的事件來評估網絡路由情況。
具體做法就是：
Traceroute會設定特殊的TTL值，來追蹤源主機和目标主機之間的路由數。首先它給目标主機發送一個 TTL=1 的UDP資料包，那麼這個資料包一旦在路上遇到一個路由器，TTL就變成了0（TTL規則是每經過一個路由器都會減1），因為TTL=0了，是以路由器就會把這個資料包丢掉，然後産生一個錯誤類型（逾時）的ICMP資料包回發給源主機，也就是差錯包。這個時候源主機就拿到了第一個路由節點的IP和相關資訊了。
接着，源主機再給目标主機發一個 TTL=2 的UDP資料包，依舊上述流程走一遍，就知道第二個路由節點的IP和耗時情況等資訊了。
如此反複進行，Traceroute就可以拿到從主機A到主機B之間所有路由器的資訊了。
但是有個問題是，如果資料包到達了目标主機的話，即使目标主機接收到TTL值為1的IP資料包，它也是不會丢棄該資料包的，也不會産生一份逾時的ICMP回發資料包的，因為資料包已經達到了目的地嘛。那我們應該怎麼認定資料包是否達到了目标主機呢？
Traceroute的方法是在源主機發送UDP資料包給目标主機的時候，會設定一個不可能達到的目标端口号（例如大于30000的端口号），那麼當這個資料包真的到達目标主機的時候，目标主機發現沒有對應的端口号，是以會産生一份“端口不可達”的錯誤ICMP封包傳回給源主機。
可見Traceroute的原理确實很取巧，很有趣。
以上，就是對ping的基本原理以及ICMP協定的基本講解了，歡迎大家一起交流。
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