TCP/IP--ICMP和IGMP

本篇结构：

ICMP
IGMP
附
反思

接着上一篇TCP/IP--划分子网和构造超网，本章接着分享IP协议的两个配套协议--ICMP和IGMP。

一、ICMP

1.1、什么是ICMP

ICMP的全称是Internet Control Message Protocol（网际控制信息协议）。

ICMP工作在TCP/IP体系中的网络层，是IP协议的一个补充，主要用于在主机与路由器之间传递控制信息，包括报告错误、交换受限控制和状态信息等。ICMP报文通常被IP层或更高层协议(TCP或UDP)使用。ICMP报文是在IP数据报内部传输的。IP协议是不可靠协议，不能保证 IP数据报能够成功的到达目的主机，无法进行差错控制，当遇到IP数据无法访问目标、IP路由器无法按当前的传输速率转发数据包等情况时，会自动发送ICMP消息。

1.2、ICMP报文格式

类型：一个8位类型字段，表示 ICMP 数据包类型；
代码：一个8位代码域，表示指定类型中的一个功能，如果一个类型中只有一种功能，代码域置为 0；
检验和：数据包中 ICMP 部分上的一个16位检验和；
ICMP数据部分：包含了所有接受到的数据报的IP报头，还包含IP数据报中前8个字节的数据。

格式解释：
ICMP报文的前4个字节是统一的格式，共有三个字段：即类型，代码和检验和。
8位类型和8位代码字段一起决定了ICMP报文的类型。

类型8，代码0：表示回显请求(ping请求)；
类型0，代码0：表示回显应答(ping应答)；
类型11，代码0：超时......

16位的检验和字段：包括数据在内的整个ICMP数据包的检验和，其计算方法和IP头部检验和的计算方法一样的。
ICMP报文具体分ICMP差错报告报文和ICMP询问报文(对ICMP差错报文有时需要做特殊处理，因此要对其进行区分。如：对ICMP差错报文进行响应时，永远不会生成另一份ICMP差错报文，否则会出现死循环)。

1.3、ICMP种类

ICMP报文具体分ICMP差错报告报文和ICMP询问报文(对ICMP差错报文有时需要做特殊处理，因此要对其进行区分。如：对ICMP差错报文进行响应时，永远不会生成另一份ICMP差错报文，否则会出现死循环)。

下面主要学习几种常用的ICMP报文类型。

1.ICMP差错报文

终点不可达（Type=3）

IP路由器无法将IP数据报发送给目的地址时，会给发送端主机返回一个终点不可达ICMP消息。例如我们要连接对方一个不存在的系统端口（端口号小于1024）时，将返回Type=3、Code=3的ICMP报文，它要告诉我们：“嘿，别连接了，我不在家的！”，常见的不可到达类型还有网络不可到达（Code=0）、主机不可到达（Code=1）、协议不可到达（Code=2）等。

时间超过

超时报文的代码域有两种取值：Code=0表示传输超时，Code=1表示重组分段超时。
IP 数据包中有一个字段TTL(Time to live，生存周期)，它的值随着每经过一个路由器就会减1，当路由器收到生存时间TTL为零的数据报时，除丢弃该数据报外，还要向源站发送时间超过报文。当目的站在预先规定的时间内不能收到一个数据报的全部数据报片时，就将已收到的数据报片都丢弃，并向源站发送时间超过报文。

参数问题

当路由器或目的主机收到的数据报的首部中的字段的值不正确时，就丢弃该数据报，并向源站发送参数问题报文。

改变路由（重定向）

如果路由器发现发送端主机使用次优的路径发送数据时，那么它会返回一个ICMP 重定向消息给这个主机，这个消息包含了最合适的路由信息和源数据。主要发生在路由器持有更好的路由信息的情况下，路由器会通过这个ICMP 重定向消息给发送端主机一个更合适的发送路由。

以下几种情况都不会导致产生ICMP差错报文：

ICMP差错报文（但是，ICMP查询报文可能会产生ICMP差错报文）；
目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报；
作为链路层广播的数据报；
不是IP分片的第一片；
源地址不是单个主机的数据报。即源地址不能为零地址、环回地址、广播地址或多播地址。

这些规则是为了防止过去允许ICMP差错报文对广播分组响应所带来的广播风暴。
所有的ICMP差错报告报文中的数据字段都具有同样的格式。将收到的需要进行差错报告IP数据报的首部和数据字段的前8个字节提取出来，作为ICMP报文的数据字段。再加上响应的ICMP差错报告报文的前8个字节，就构成了ICMP差错报告报文。提取收到的数据报的数据字段的前8个字节是为了得到运输层的端口号（对于TCP和UDP）以及运输层报文的发送序号（对于TCP）。

2.ICMP询问报文

回送消息

用于进行通信的主机或路由之间，判断发送数据包是否成功到达对端的消息。可以向对端主机发送回送请求消息，也可以接收对端主机回来的回送应答消息。
我们日常使用最多的ping，就是响应请求（Type=8）和应答（Type=0），一台主机向一个节点发送一个Type=8的ICMP报文，如果途中没有异常（例如被路由器丢弃、目标不回应ICMP或传输失败），则目标返回Type=0的ICMP报文，说明这台主机存在。

时间戳消息

时间戳请求报文（Type=13）和时间戳应答报文（Type=14）用于测试两台主机之间数据报来回一次的传输时间。传输时，主机填充原始时间戳，接收方收到请求后填充接收时间戳后以Type=14的报文格式返回，发送方计算这个时间差。一些系统不响应这种报文。

1.4、ICMP应用

1.PING

ping是一个用来查询网络通不通的一个工具，是系统自带的，运行于内核，调用ICMP协议。

ping的工作原理：ping通过调用echo来发送请求，通过是否收到echo-reply来查询网络层的连通性。ping的结果会给出传送的时间和TTL的数据，还可以查看主机到目的主机的路由。这是因为ICMP的ping请求数据报在每经过一个路由器的时候，路由器就会把自己的IP地址放到该数据包中，而目的主机则会把这个IP列表复制到ICMP数据包中发回给主机。但是，IP头能记录的路由列表非常有限，如果要观看完整的路由信息，就要用到traceroute工具了。

2.traceroute

traceroute是用来侦测主机到目的主机所经路由情况的工具，可以获取到所经路由器的IP地址。
traceroute的工作原理：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，就自动将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数据包给主机。主机收到这个数据包以后就发送一个TTL=2的数据包给主机，然后刺激第二个路由器给主机发送ICMP数据包，如此反复直到到达目的主机。这样，traceroute就拿到了所有的路由器IP，从而避免了IP头只能记录有限的路由IP
的问题。

二、IGMP

IGMP也是IP协议的一个补充，位于TCP/IP体系中的网络层。

2.1、单播，多播，广播的介绍

1.单播(Unicast)

单播是说，对特定的主机进行数据传送。例如给某一个主机发送IP数据包。这时候，数据链路层给出的数据头里面是非常具体的目的地址，对于以太网来说，就是网卡的MAC地址。现在的具有路由功能的主机应该可以将单播数据定向转发，而目的主机的网络接口则可以过滤掉和自己MAC地址不一致的数据。

2.广播(Broadcast)

广播是主机针对某一个网络上的所有主机发送数据包。这个网络可能是网络，可能是子网，还可能是所有的子网。如果是网络，例如A类网址的广播就是 netid.255.255.255，如果是子网，则是netid.netid.subnetid.255；如果是所有的子网（B类IP）则是则是 netid.netid.255.255。广播所用的MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。网络内所有的主机都会收到这个广播数据，网卡只要把 MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF的数据交给内核就可以了。一般说来ARP，或者路由协议RIP应该是以广播的形式播发的。

PS:
在使用TCP/IP 协议的网络中，主机标识段host ID 为全1的IP地址为广播地址。

受限广播

它不被路由发送，但会被送到相同物理网络段上的所有主机
IP地址的网络字段和主机字段全为1就是地址255.255.255.255

直接广播

网络广播会被路由，并会发送到专门网络上的每台主机IP地址的网络字段定义这个网络，主机字段通常全为1，如 192.168.10.255。

3.多播(Multicast)

可以说广播是多播的特例，多播就是给一组特定的主机（多播组）发送数据，这样，数据的播发范围会小一些(实际上播发的范围一点也没有变小)，多播的MAC地址是最高字节的低位为一，例如01-00-00-00-00-00。多播组的地址是D类IP，规定是224.0.0.0-239.255.255.255。

224.0.0.0～224.0.0.255为预留的组播地址（永久组地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由协议使用；
224.0.1.0～224.0.1.255是公用组播地址，可以用于Internet；
224.0.2.0～238.255.255.255为用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效；
239.0.0.0～239.255.255.255为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。

虽然多播比较特殊，但是究其原理，多播的数据还是要通过数据链路层进行MAC地址绑定然后进行发送。所以一个以太网卡在绑定了一个多播IP地址之后，必定还要绑定一个多播的MAC地址，才能使得其可以像单播那样工作。这个多播的IP和多播MAC地址有一个对应的算法。可以看到这个对应不是一一对应的，主机还是要对多播数据进行过滤。

PS:广播和多播的性质是一样的，路由器会把数据放到局域网里面，然后网卡对这些数据进行过滤，只拿到自己打算要的数据，比如自己感兴趣的多播数据，自己感兴趣的组播数据。当一个主机运行了一个处理某一个多播IP的进程的时候，这个进程会给网卡绑定一个虚拟的多播mac地址，并做出来一个多播 ip。这样，网卡就会让带有这个多播mac地址的数据进来，从而实现通信，而那些没有监听这些数据的主机就会把这些数据过滤掉。

2.2、组播IP地址和MAC地址的关系

以太网组播地址范围是从01-00-5E-00-00-00到01-00-5E-7F-FF-FF。组播MAC地址的高24bit位是以01-00-5E开头，低23bit为组播IP地址的低23bit。
由于IP组播地址的高4bit是1110，标识了组播组，而低28bit中只有23bit被映像到组播MAC地址上，这样IP组播地址中就会有5bit没有使用，从而出现了32个IP组播地址映像到同一MAC地址上的结果。

2.3、IGMP概念

IGMP，就是Internet Group Management Protocol的意思。该协议用来在ip主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系，但不包括组播路由器之间的组成员关系信息的传播与维护，这部分工作由各组播路由协议完成。所有参与组播的主机必须实现IGMP。

IGMP目前有三个版本，目前用的最多的是IGMPv2。IGMPv1主要基于查询和响应机制来完成对组播组成员的管理；IGMPv2增加了查询器选举机制和离开组机制；IGMPv3在兼容和继承IGMPv1和IGMPv2的基础上，进一步增强了主机的控制能力，并增强了查询和报告报文的功能。

2.4、IGMP报文格式

1.IGMPv1:

V1报文格式如下：

4位版本

目前IGMP有V1，V2，V3三个版本，比如是V1则该4位为1， V3则该4 位为3。

4位类型

有成员关系查询0x11和成员关系报告0x12两种类型。

校验和

该8个字节的校验码。

32位组地址

当发送报文是成员关系报告时，该32位组地址即组播组地址。当发送的报文是成员关系查询时，该32位为全0。V1版本只支持通用关系查询，不支持特定组查询。

2.IGMPv2:

V2版本报文格式如下：

8位类型

有三种类型:
1、成员关系查询0x11：在V2和V3中成员关系查询增加特定组查询。常规查询：用于确定哪些组播组是活跃的，即改组是否还有成员在使用，常规查询组地址由全零表示。
特定组查询：用于查询某具体组播组是否还有组成员。
2、成员关系报告0x16（版本1成员关系报告0x12）
3、离开组消息0x17。

8位最大响应时间

以0.1秒为单位，默认值是100，即10秒。

校验和

报文段8个字节的校验码。

组地址

1、成员关系查询报文：常规查询组低位为全0，特定组查询则应设置对应的组地址。
2、成员报告或离开组消息：组地址为要报告或要离开的组地址。

3.V1、V2、V3比较：

2.5、IGMP协议

1.加入一个多播组

多播的基础就是一个进程的概念（使用的术语进程是指操作系统执行的一个程序），该进程在一个主机的给定接口上加入了一个多播组。在一个给定接口上的多播组中的成员是动态的—它随时因进程加入和离开多播组而变化。

这里所指的进程必须以某种方式在给定的接口上加入某个多播组。进程也能离开先前加入的多播组。这些是一个支持多播主机中任何API所必需的部分。使用限定词“接口”是因为多播组中的成员是与接口相关联的。一个进程可以在多个接口上加入同一多播组。

2.IGMP报告和查询

多播路由器使用IGMP报文来记录与该路由器相连网络中组成员的变化情况。使用规则如下：

当第一个进程加入一个组时，主机就发送一个IGMP报告。如果一个主机的多个进程加入同一组，只发送一个IGMP报告。这个报告被发送到进程加入组所在的同一接口上。
进程离开一个组时，主机不发送IGMP报告，即便是组中的最后一个进程离开。主机知道在确定的组中已不再有组成员后，在随后收到的IGMP查询中就不再发送报告报文。
多播路由器定时发送IGMP查询来了解是否还有任何主机包含有属于多播组的进程。多播路由器必须向每个接口发送一个IGMP查询。因为路由器希望主机对它加入的每个多播组均发回一个报告，因此IGMP查询报文中的组地址被设置为0。
主机通过发送IGMP报告来响应一个IGMP查询，对每个至少还包含一个进程的组均要发回IGMP报告。

使用这些查询和报告报文，多播路由器对每个接口保持一个表，表中记录接口上至少还包含一个主机的多播组。当路由器收到要转发的多播数据报时，它只将该数据报转发到（使用相应的多播链路层地址）还拥有属于那个组主机的接口上。

下图显示了两个IGMP报文，一个是主机发送的报告，另一个是路由器发送的查询。该路由器正在要求那个接口上的每个主机说明它加入的每个多播组。

3.离开报文（仅限IGMPv2和v3）

该报文由主机发出。当主机离开组播组时发送此报文，向组播路由器报告离开了特定的组播组。离开报文的目标IP为224.0.0.2（所有组播路由器），IGMP报头内的组播IP为特定离开组的IP。

2.6、实现细节

为改善IGMP协议的效率，有许多实现的细节要考虑。首先，当一个主机首次发送IGMP报告（当第一个进程加入一个多播组）时，并不保证该报告被可靠接收（因为使用的是IP交付服务）。下一个报告将在间隔一段时间后发送。这个时间间隔由主机在0 ~ 1 0秒的范围内随机选择。

其次，当一个主机收到一个从路由器发出的查询后，并不立即响应，而是经过一定的时间间隔后才发出一些响应（采用“响应”的复数形式是因为该主机必须对它参加的每个组均发送一个响应）。既然参加同一多播组的多个主机均能发送一个报告，可将它们的发送间隔设置为随机时延。在一个物理网络中的所有主机将收到同组其他主机发送的所有报告，报告中的目的地址是那个组地址。这意味着如果一个主机在等待发送报告的过程中，却收到了发自其他主机的相同报告，则该主机的响应就可以不必发送了。因为多播路由器并不关心有多少主机属于该组，而只关心该组是否还至少拥有一个主机。的确，一个多播路由器甚至不关心哪个主机属于一个多播组。它仅仅想知道在给定的接口上的多播组中是否还至少有一个主机。

在没有任何多播路由器的单个物理网络中，仅有的IGMP通信量就是在主机加入一个新的多播组时，支持IP多播的主机所发出的报告。

三、附

下图是ICMP报文种类，仅供参考。

四、反思

IGMP还是不甚了解，希望往后能静下心再来好好回顾，深入了解。