6.4.2 互联网路由探测与发现基本原理

6.4.2 互联网路由探测与发现基本原理

一、路由探测与发现背后的协议工作过程

我们主要使用三种方法来实现路由探测与发现

1. 基于IP的记录路由选项功能（RR）和ICMP功能的路由探测，典型的例子就是带有参数“r”的ping命令，即ping -r

   这种探测方法类似于邮政系统的邮件投递过程，一封信每经过一个邮政分拣点，都会被盖上相应的邮戳，收信人可以根据信封上的邮戳知道中间经过了哪些邮局。为了跟踪互联网中数据分组的传输路径，我们可以利用IP分组首部中的记录路由的可选字段（5.2.3 IP数据报（一）IP数据报的格式）来盖戳。我们知道IP分组的首部中除了20个字节的固定部分之外，还包括长度可变的选项字段，其中记录路由选项可以实现路由探测。

   

   选项类型字段取值为7，选项内容记录了数据分组所经过路由器的地址列表。当然为了使源主机收集到传输路径的信息，我们还需要配合ICMP协议来实现。具体过程是

   1. 源主机产生并发送一个ICMP回送请求报文（ICMP Echo Request）并封装到IP分组中，分组头部的选项部分除了填写记录路由选项的类型（type）和长度（Length）字段以外，选项内容是空的。
   2. 当分组到达路由器时，路由器在转发之前，会主动的将自己的IP地址填写在记录路由选项中，如此以来对于分组传输路径上每一跳路由器都相继的填入了自己的IP地址。当分组到达目的主机时IP分组头部会收集到部分或者全部的路由信息。
   3. 最后目的主机向源主机返回ICMP回送应答报文（ICMP Echo Reply），将接收到的记录路由选项拷贝到返回的IP分组的首部，使用参数“r”的ping程序就是基于记录路由选项的方法。

2. 基于IP的TTL字段和ICMP的路由探测，例子就是Windows下的tracert程序。

   这种路由探测方法就不再利用IP分组的选项字段了，而是利用IP首部中的TTL字段联合ICMP协议来实现，具体方法如下：

   1. 源主机会发送多个ICMP回应请求报文（类型为8，代码为0），每个ICMP报文所在IP分组头部的TTL从1开始递增，也就是每次都递增1。来设置每个ICMP报文所在的IP分组首部中的TTL字段，也就是说第一个IP分组的TTL值为1，第二个分组的TTL值为2，以此类推。

   2. IP协议规定路由器会将收到的IP分组头部的TTL字段减1，一旦变为0会立即丢弃分组并向源主机发送超时的ICMP差错报告报文（5.2.7 因特网控制报文协议ICMP）。

   3. 当探测报文到达目的主机时，如果目的主机存在，会返回ICMP应答报文（类型为0，代码为0）

   4. 当源主机接收到ICMP应答报文，追踪结束。

      如图，假设数据分组从源主机触发需要经过R1、R2、R3三台路由器的转发，最终到达目的主机。在源主机上运行tracert程序，就会利用TTL和ICMP来探测传输的路径。

      路由跟踪实质是不断探测的过程

      1. 首先源主机发送第一个探测分组，TTL值等于1，到达第一跳路由器时TTL值减1后变为0，路由器会发送超时报文。源主机收到后就会获得第一跳路由器的IP地址
      2. 接着源主机会发送第二个探测报文，此时的TT值设置为2，到达第一跳TTL值减1后TTL值变为1，到达第二跳路由器的时候TTL值再减1就变为了0，此时又会返回超时报文，此时源主机得到第二跳路由器的IP地址。
      3. 同样的方法源主机可以获得第三跳路由器的IP地址。
      4. 当第四次探测报文到达目的主机时，目的主机会返回ICMP回送应答报文，对于源主机接收到应答报文后就会宣布路由跟踪结束。

3. 基于TTL+UDP+ICMP的路由探测，Unix操作系统下的traceroute程序就是这种原理。

   这种路由探测方法与第二种路由探测方法相类似，不同之处在于源主机发送的探测报文不再是ICMP回送请求报文，而是变成了在传输层里所用到的UDP用户数据报。为了接收到来自目的主机的回复，作为路由跟踪结束的标志，源主机会选择一个不常用的目的端口号，一般情况下数值比较大，中间路由器的探测也是利用TTL值减1操作，通过超时差错响应机制，使得源主机逐步的探测到路由器的地址，当UDP探测报文到达目的主机以后，由于它并不能找到与目的端口号对应的接收的应用进程，目的主机就会返回一个目的端口不可达的ICMP差错报告报文，源主机收到了差错报告报文以后也宣布路由跟踪结束。Unix操作系统下的traceroute采用的就是这种基于UDP和ICMP的一种探测的方法。