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「ping」是什么，你知道它背后的逻辑是如何实现的吗？

数据与人 2021-07-19
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作者 | FutureEye
一、什么是ping？
ping是一种计算机网络工具，用来测试数据包能否透过IP协议到达特定主机。ping的运作原理是向目标主机传出一个ICMP echo@要求数据包，并等待接收echo回应数据包。
程序会按时间和成功响应的次数估算丢失数据包率（丢包率）和数据包往返时间（网络时延，Round-trip delay time）。
我们在网络通信的过程中，常常使用 ping 某一个 IP 地址或者某个域名看下基本连接是否正常，是否有网络延迟。ping 就是我们经常用来作为网络连接通信的测试指令。那你知道「ping」命令后背的逻辑是什么吗？知道它是如何实现的吗？
Windows 10 下的 Ping：
    C:\>ping www.baidu.com
    正在 Ping www.a.shifen.com [119.75.216.20] 具有 32 字节的数据:
    来自 119.75.216.20 的回复: 字节=32 时间=42ms TTL=53
    来自 119.75.216.20 的回复: 字节=32 时间=42ms TTL=53
    来自 119.75.216.20 的回复: 字节=32 时间=42ms TTL=53
    来自 119.75.216.20 的回复: 字节=32 时间=42ms TTL=53

    119.75.216.20 的 Ping 统计信息:
        数据包: 已发送 = 4，已接收 = 4，丢失 = 0 (0% 丢失)，
    往返行程的估计时间(以毫秒为单位):
        最短 = 42ms，最长 = 42ms，平均 = 42ms
    二、ping命令的作用及原理？
    ping 命令是基于ICMP(Internet Control Message Protocol)协议来工作的，全称为 Internet 控制报文协议。
    ping 命令会发送一份ICMP回显请求报文给目标主机，并等待目标主机返回ICMP回显应答。因为ICMP协议会要求目标主机在收到消息之后，必须返回ICMP应答消息给源主机，如果源主机在一定时间内收到了目标主机的应答，则表明两台主机之间网络是可达的。
    举一个例子来描述「ping」命令的工作过程：
    1、假设有两个主机，主机A(192.168.0.1)和主机B(192.168.0.2)，现在我们要监测主机A和主机B之间网络是否可达，那么我们在主机A上输入命令:ping 192.168.0.2;
    2、此时，ping命令会在主机A上构建一个 ICMP的请求数据包，然后 ICMP协议会将这个数据包以及目标IP(192.168.0.2)等信息一同交给IP层协议。
    3、IP层协议得到这些信息后，将源地址(即本机IP)、目标地址(即目标IP：192.168.0.2)、再加上一些其它的控制信息，构建成一个IP数据包。
    4、IP数据包构建完成后，还不够，还需要加上MAC地址，因此，还需要通过ARP映射表找出目标IP所对应的MAC地址。当拿到了目标主机的MAC地址和本机MAC后，一并交给数据链路层，组装成一个数据帧，依据以太网的介质访问规则，将它们传送出出去。
    5、当主机B收到这个数据帧之后，会首先检查它的目标MAC地址是不是本机，如果是就接收下来处理，接收之后会检查这个数据帧，将数据帧中的IP数据包取出来，交给本机的IP层协议，然后IP层协议检查完之后，再将ICMP数据包取出来交给ICMP协议处理，当这一步也处理完成之后，就会构建一个ICMP应答数据包，回发给主机A。
    6、在一定的时间内，如果主机A收到了应答包，则说明它与主机B之间网络可达，如果没有收到，则说明网络不可达。除了监测是否可达以外，还可以利用应答时间和发起时间之间的差值，计算出数据包的延迟耗时。
    通过ping的流程可以发现，ICMP协议是这个过程的基础，是非常重要的，因此下面就把ICMP协议再详细解释一下。

    三、什么是「 ICMP 」？

    我们知道，ping命令是基于ICMP协议来实现的。那么我们再来看下图，就明白了ICMP协议又是通过IP协议来发送的，即ICMP报文是封装在IP包中。
    ICMP用图文表示：
    IP协议是一种无连接的，不可靠的数据包协议，它并不能保证数据一定被送达，那么我们要保证数据送到就需要通过其它模块来协助实现，这里就引入的是ICMP协议。
    当传送的IP数据包发送异常的时候，ICMP就会将异常信息封装在包内，然后回传给源主机。
    ICMP协议大致可分为两类：
    • 查询报文类型
    • 差错报文类型
    1、查询报文类型：
    定义：发送端主动发起请求，并且获取到应答。常见应用：Ping、子网掩码查询、时间戳查询等
    Ping 就是主动请求，获取到主动应答。但是 Ping 是在原生的 ICMP 中添加了自定义格式区域。例如 Ping 中放了发送的请求时间，以此计算出路程。所以，其实在 Ping 的报文中会加入序号，以用来区分数据包，从而提高计算时间或者路程的准确性。
    2、差错报文类型：
    主要有以下几种：
    1、源抑制
    发送端发送大量数据时，可能会导致网络( 路由器 )过载，此时过载处可以向发送端发送源抑制的消息，让他降低发送速度。
    2、终点不可到达
    网络信息不能到达终点，就会给发送端发送一个目的不可到达的信息。告诉发送端可能是设备故障而引起关闭（情况之一）。然后这种又可以再次细分：A、网络不可达  — 代码为 0，B、主机不可达 — 代码为 1.C、协议不可达 — 代码为 2.D、端口不可达 — 代码为 3.E、需要分段 - 代码为 4.（ 必须把数据分段才能去到终点 ）
    3、超时
    网络包超过设置的在网络中的生存时间，还没有达到。
    4、路由重定向
    定义数据包的路由股则。因为大部分的时候，路由规则是通过相关协议算法生成的，有些时候重新定义过之后，会让这个数据包绕的更远。
    常见应用：TracerouteTraceoute  有点像是在不断试错的意思。是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具。Ping 我们知道是可以知道这条大路通不通的，Traceoute 通过设置  TTL 知道到底是哪个路由器不通。
    TTL : 数据包在网络中生存时间，也就是通过数据被路由器转发的次数，没转发一次就减一。知道为 0 的时候就抛弃。
    Traceroute 的原理：它收到目的主机的 IP 后，首先给目的主机发送一个 TTL=1 的 UDP 数据包，而经过的第一个路由器收到这个数据包以后，就自动把 TTL 减 1，而 TTL 变为 0 以后，路由器就把这个包给抛弃了，并同时产生 一个主机不可达的 ICMP 数据报给主机。如此循环就可以知道所有的路由 IP 了。（ ICMP 出错了就会回错误包 ）
    通常 Traceoute 的目的端口设置的是一个大于 30000 的值（ 一般的应用端口号远小于这个数 ）。所以如果回复的是 “端口不可达”，那就说明到达终点，否则这个信息就会超时。以此确保 消息是否到达终点。
    Traceoute 还有一个有意思的功能，就是确定 MTU（数据最大传输单元），Traceoute  通常对数据不分段，就直接发送，如果如果遇到过程中某个路由转发，出现返回 ICMP 需要分段的错误，就把数据进行拆分，直到最后到达终点。就验证出 MTU。
    以上，就是ping背后基本逻辑了。

    来源：
    https://www.jianshu.com/p/e1795962ad76
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