计算机网络——排查网络故障

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我们知道，在复杂的互联网环境下，网络卡顿的问题时有发生，那么在此情况下，如何快速定位网络故障？快速判断是网速问题还是设备问题呢？别着急，今天教你两招，解决以下问题？

如果你发现访问网页的时候有点卡卡的，断断续续很不流畅。你想看看端对端的往返延迟，以及丢包的概率，你可以用什么？Ping

发出几个包之后，却没有回包，那我们接下去该如何排除故障呢？Traceroute

01 初期诊断Ping协议

1、Ping的使用场景

如果你发现 访问网页的时候有点卡卡的，断断续续很不流畅。你想看看端对端的往返延迟，以及丢包的概率，你可以用什么？

回答这个问题之前，我们先来看看IP协议本身存在着弊端。

IP提供了不可靠和无连接的数据报交互，不可靠是说IP协议就是个甩手掌柜，它把IP数据包发送出去之后，根本不管对方收不收得到，要不要回包，总是把包发出去就是它唯一做的事情了


所以，在不进行任何检查的情况下，我们很难排查出到底是哪里出了问题。

而对于我们来说，最开始选择的检查方式就可以是ping，来测试网络连通性。

接下来举个例子，我们可以使用ping这个小程序，比如在小明windows命令行cmd下输入ping 2.2.2.2

2、Ping的实际动作

那Ping命令下究竟发生了什么呢？

2.1、Ping程序组织好自己的ICMP报文，其中：

Identifier用于区分不同的Ping程序
Sequence Number用于区分一个Ping程序消息序列号
Type = 8 ，表示这是一个 Echo Request

然后调用IP进程发出ICMP报文，此时TTL = 64，
路由器A接受到此IP报文，做TTL-1操作得到TTL = 63 ，查询路由表，发给下一跳路由器B。

一句以上同样的过程，经过26跳路由器的中继，最终到达小美的IP报文 TTL = 64 - 26 = 38

2.2、小美电脑把ICMP消息转交给ICMP进程，ICMP进程只是把Type 修改为 0，然后调用IP进程发出，此时 TTL = 64

路由器Z接收到此IP报文，做TTL - 1 操作得到TTL = 63，查询路由表，发给下一跳路由器Y

依据以上同样的过程，经过26跳路由器的中继，最终到达小明的IP报文 TTL =64 -26 =38，转发给小明Ping程序



2.3、依据ID与序列号匹配，比如发出的ID=1,序列号为1234，接受的回应ID =1 ,序列号 = 1234，那么这一对消息完全匹配，匹配成功，关掉定时器，得到往返的延迟RTT值，获得TTL剩余值为38，打印一个消息到屏幕上，告知小明Ping的结果。

一般会发出5个Ping消息，最终会生成一个RTT的平均值、最小值、最大值，丢包个数、丢包的概率，打印在程序的后方

3、 Ping的相关知识

3.1、 TTL是什么？

TTL是 Time To Live 的英文缩写，用于表示IP报文的生存寿命， 类似游戏里的几条命或者几滴血，每经过一台路由器就减去一条命，如果没有命了，就意味着 Game Over，路由器就会丢弃它

那难道路由器就这么丢弃了，当做什么都没有发生吗。这也太不靠谱了吧。当然不是！

至少还要告诉IP报文的主人，TTL Expired这个消息告诉源主机， 你家的那个跑腿的ping协议，因为没有血了，被我扔出窗外了，告诉你一声。小明的Ping程序接收到这个消息，会打印到屏幕上，小明就获知这个不幸的消息。






3,2 、TTL为什么要减一操作？

避免因为环路给路由器造成 无穷负担


真实的网络环境下一班路由器之间都有多条线相连，可能会出现 A ->B -> C -> A ->B -> C，这样子的话三台路由器就形成了一个三角形的环，IP报文会在这里无休止地转圈圈。

为了不给环路中的路由器造成无休止的负担， 每经过一跳路由器，减去一条命，一个IP报文最多有255条命，那么经过255跳之后，命没了扔掉就好， 这可以减轻路由器的负担。你可以无理取闹，但是不能一直无理取闹。



3.3、TTL Expried消息如何通知相关进程？

出错消息到达小明电脑的时候，他该如何通知对应的进程告呢？

要知道，一台电脑上，同时运行的进程或许有成百上千个，这个ICMP出错消息要怎么找呢？

实际上在ICMP消息体里，至少有28个字节的原始IP报文字段，所谓原始IP报文就是小明发出的Ping报文。

而这28个字节里面可以恰恰容纳 IP + ICMP头，而在TCMP头里恰恰有ID字段，比如ID =1 ,小明的电脑就会准确定位这个Ping程序，于是将出错消息果断转交给Ping程序处理。

3.4、超时时间（Timeout）

一旦Ping报文发出之后，总不能一直傻傻地等吧，需要启动一个定时器，默认的超时时间的2s，这个值对绝大多数的场合来说是足够了。如果在2s以内，不能收到回复，则直接超时处理。Ping程序会告诉小明：超时了。


小明也可以修改超时时间短一些，可以更快知道结果

如果你这么久还没有回复我，那我就不等你消息了，傲娇！！！

3.5、探测路径最大传输单元

就像如果你要运输100吨货物，你可能会把100吨的货物分成十份，每十吨放进一个集装箱运输一样。


为了保证可靠传输、传输效率的综合考虑，链路层一般会对发送的帧尺度有一个限制。比如以太网标准最大传输单元位1500字节，在家用的接入网，加入了PPPoE拨号，郑佳乐8个字节的头部，这样势必是的IP报文从1500字节减少到1492字节。

互联网上的物理路径，由于各种原因，加上各种隧道头、协议头、留给IP报文的空间小于1500字节，为了获知个人电脑和服务器之间的最大传输单元（对于IP报文来说），需要使用Ping程序来发现

如 Ping -f -l 1500 8.8.8.8

参数 -f 表示，如果IP报文大小超出路由器的发送接口的最大传输单元，则不允许任何路由器分片

参数 -l 1500,ICMP消息体的长度，不包括IP头、ICMP头的长度

这条命令会产生一个长度大于1500的IP报文，这个值大于一般物理接口的MTU，由于不允许分片，最终会被丢弃。

最终根据二分法，不断尝试，如果最终发现 Ping -f -l 1464 8.8.8.8能够得到服务器的回应，那么就意味着ICMP消息体是1464，加上20字节的IP头，再加上8字节的ICMP头，一共是1492字节。
这意味着小明电脑和服务器的最大传输单元MTU是1492，至于为什么1492而不是1500，是因为有8字节的PPPoE协议头


3.6、Ping不同的情况分析

主机不可达，TTL到0了

网络不可达， 阻塞了，太卡了，堵车了，就丢包了

端口不可达， 你要到达的端口没有开启

协议不可达， ACL，访问控制列表，不允许你这个IP给我发送数据

需要分片

源路由错误

未知的目的网络

未知的目的主机

02 追加诊断Traceroute协议

1、Traceroute的使用场景

当使用Ping命令，发出几个包之后，却没有回包，那我们接下去该如何排除故障呢？

我们可以使用Traceroute工具，这个工具可以追踪网络路径，谁的网络路径呢？是IP包的，追踪的是IP包双向路径，IP包从小明发出到达小美，这是出方向；IP包从小美返回小明，这是入方向的；只要有一个方向的IP包不能通行，用户机会感觉网络出现问题了。

Traceroute会把小明，小美之间所经过的每一跳路由器都打印出来，同时还会打印小明到每一跳路由器的最大、最小、平均延迟，这样就画出了了一张中继设备的连接图，哪有出现问题就一目了然了

2、Traceroute的工作过程

那么Traceroute究竟是如何工作的呢？

1、TTL = 1

Traceroute使用UDP协议来传输探测回声，目的端口号一般位于32768-65535之间，假设这里使用的是65000，IP头里会有一个小技巧，将TTL设置为1，这样子当这个IP包到达第一跳路由器，做TTL - 1 操作，TTL会变为0，路由器就要使用ICMP发出错误消息：TTL Expired，同时还会截取回声IP包至少28个字节放在ICMP消息里。

为什么要截取28个字节，有什么用呢？

其中包含20字节的IP头、8字节的UDP头，这样小明ICMP进程就会根据UDP端口号来定位是哪个进程的报错消息，揉揉眼睛一看，原来是Traceroute的报错消息啊，然后就转交给它来处理

Traceroute将第一跳路由器打印输出，这一步一共发送三个探测包，最终会得到往返延迟的最大、最小、平均延迟，并打印输出

以此类推


N、TTL = N

TTL = 2 ，到达第二跳，TTL 也变为 0 ，也发报错消息，小明就会知道第二跳的IP地址。

依照以上类似方法，TTL一直变化为3、4、5…N,小明就会知道第三跳、第四跳…第N跳的IP地址，并将它们一一打印出来


第N+1步：TTL = N + 1

最终IP报文到达了小美的电脑，IP进程发现这是本地的IP地址，于是依据UDP报文中的目的端口号65000，去尝试发现进程，结果没有发现有进程和端口号65000绑定，于是通知小明一个出错消息，即端口不可达

小明接收到这个消息，则可以放心地认为，回声探测已经达到了终点，把最后一跳路由器的IP打印出来，整个过程结束

03 排查故障简单小结

当我们在网络连接方面出现问题的时候，首先我们用Ping某个IP地址测试网络连通性，如果Ping命令成功返回4次成功的RRT，则大概率网络通信无问题，网络连接可能网速或者网络不稳定。

如果Ping命令发现没有成功ping通，则接着采用Traceroute协议进行查看，精准定位到到底是那一台路由器，那一段的网段出现问题。

这是一个从整体到局部，从一个大范围缩小到某台路由器的排查网络故障过程。

以上文章，作为自己的学习笔记，仅供参考

本文完，感谢你的阅读！！！

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