5.HCNA-HNTD——ICMP协议

Internet控制报文协议ICMP是网络层的一个重要协议。ICMP协议用来在网络设备间传递各种差错和控制信息，它对于收集各种网络信息、诊断和排除各种网络故障具有至关重要的作用。使用基于ICMP的应用时，需要对ICMP的工作原理非常熟悉。

学习目标：
1. 描述ICMP的应用场景
2. 理解常见的ICMP报文类型
3. 掌握ping和tracert的应用

ICMP是TCP/IP协议簇的核心协议之一,它用于在IP网络设备之间发送控制报文,传递差错、控制、查询等信息。

ICMP Redirect重定向消息用于支持路由功能。如图所示,主机A希望发送报文到服务器A,于是根据配置的默认网关地址向网关RTB发送报文 。网关RTB收到报文后,检查报文信息,发现报文应该转发到不源主机在同一网段的另一个网关设备RTA,因为此转发路径是更优的路径。所以RTB会向主机发送一个Redirect消息,通知主机直接向另一个网关RTA发送该报文。主机收到Redirect消息后,向RTA发送报文,RTA会将报文转发给服务器A。

ICMP Echo消息常用于诊断源和目的之间的网络连通性,还可以提供其他信息,如报文往返时间等。
也就是ping的过程。

ICMP定义了各种错误消息,用于诊断网络连接性问题;根据这些错误消息,源设备可以判断出数据传输失败的原因。比如,如果网络中发生了环路,导致报文在网络中循环,最终TTL超时,这种情况下网络设备会发送TTL超时消息给发送端设备。又比如如果目的不可达,则中间的网络设备会发送目的不可达消息给发送端设备。目的不可达的情况有多种,如果是网络设备无法找到目的网络,则发送目的网络不可达消息; 如果网络设备无法找到目的网络中的目的主机,则发送目的主机不可达消息。

ICMP消息封装在IP报文中。ICMP消息的格式取决于Type和Code字段, 其中Type字段为消息类型,Code字段包含该消息类型的具体参数。后面的校验和字段用于检查消息是否完整。消息中包含32比特的可变参数, 这个字段一般不使用,通常设置为0。在ICMP Redirect消息中,这个字段用来指定网关IP地址,主机根据这个地址将报文重定向到指定网关。 在Echo请求消息中,这个字段包含标识符和序号,源端根据这两个参数将收到的回复消息与本端发送的Echo请求消息进行关联。尤其是当源端 目的端发送了多个Echo请求消息时,需要根据标识符和序号将Echo 请求和回复进行一一对应。

ICMP定义了多种消息类型,用于不同的场景。有些消息不需要Code字段来描述具体类型参数,仅用Type字段表示消息类型。比如,ICMP Echo回复消息的Type字段设置为0。
有些ICMP消息使用Type字段定义消息大类,用Code字段表示消息的具体类型。比如,类型为3的消息表示目的不可达,不同的Code值表示不可达的原因,包括目的网络不可达(Code=0)、目的主机不可达(Code=1) 、协议不可达(Code=2)、目的TCP/UDP端口不可达(Code=3) 等。
其中网络不可达指的是没有这个网段，主机不可达指的是有这个网段，但是网段里头没有这台主机，端口不可达指的是主机没有开放这个端口（最常用），协议不可达指的是不支持这个协议号。

ICMP的一个典型应用是Ping。Ping是检测网络连通性的常用工具,同时也能够收集其他相关信息。用户可以在Ping命令中指定不同参数,如ICMP报文长度、发送的ICMP报文个数、等待回复响应的超时时间等, 设备根据配置的参数来构造并发送ICMP报文,进行Ping测试。
Ping常用的配置参数说明如下:
1. -a source-ip-address指定发送ICMP ECHO-REQUEST报文的源IP地 址。如果不指定源IP地址,将采用出接口的IP地址作为ICMP ECHO- REQUEST报文发送的源地址。
2. -c count指定发送ICMP ECHO-REQUEST报文次数。缺省情况下发送5个ICMP ECHO-REQUEST报文。
3. -h ttl-value指定TTL的值。缺省值是255。
4. -t timeout指定发送完ICMP ECHO-REQUEST后,等待ICMP ECHO-
REPLY的超时时间。

Ping命令的输出信息中包括目的地址、ICMP报文长度、序号、TTL值、 以及往返时间。序号是包含在Echo回复消息(Type=0)中的可变参数字段,TTL和往返时间包含在消息的IP头中。

ICMP的另一个典型应用是Tracert。Tracert基于报文头中的TTL值来逐跳跟踪报文的转发路径。为了跟踪到达某特定目的地址的路径,源端首先将报文的TTL值设置为1。该报文到达第一个节点后,TTL超时,于是该节点向源端发送TTL超时消息,消息中携带时间戳。然后源端将报文的TTL值设置为2,报文到达第二个节点后超时,该节点同样返回TTL超时消息,以此类推,直到报文到达目的地。这样,源端根据返回的报文中的信息可以跟踪到报文经过的每一个节点,并根据时间戳信息计算往返时间。Tracert是检测网络丢包及时延的有效手段,同时可以帮助管理员发现网络中的路由环路。
Tracert常用的配置参数说明如下:
1. -a source-ip-address指定tracert报文的源地址。
2. -f first-ttl指定初始TTL。缺省值是1。
3. -m max-ttl指定最大TTL。缺省值是30。
4. -name使能显示每一跳的主机名。
5. -p port指定目的主机的UDP端口号。

源端(RTA)向目的端(主机B)发送一个UDP报文,TTL值为1,目的UDP端口号是大于30000的一个数,因为在大多数情况下,大于30000的UDP端口号是任何一个应用程序都不可能使用的端口号。
第一跳(RTB)收到源端发出的UDP报文后,判断出报文的目的IP地址 不是本机IP地址,将TTL值减1后,判断出TTL值等于0,则丢弃报文并向源端发送一个ICMP超时(Time Exceeded)报文(该报文中含有第一跳的IP地址10.0.0.2),这样源端就得到了RTB的地址。
源端收到RTB的ICMP超时报文后,再次向目的端发送一个UDP报文, TTL值为2。
第二跳(RTC)收到源端发出的UDP报文后,回应一个ICMP超时报文 ,这样源端就得到了RTC的地址(20.0.0.2)。
以上过程不断进行,直到目的端收到源端发送的UDP报文后,判断出目的IP地址是本机IP地址,则处理此报文。根据报文中的目的UDP端口号寻找占用此端口号的上层协议,因目的端没有应用程序使用该UDP端口号,则向源端返回一个ICMP端口不可达(Destination Unreachable)报文。
源端收到ICMP端口不可达报文后,判断出UDP报文已经到达目的端, 则停止Tracert程序,从而得到数据报文从源端到目的端所经历的路径( 10.0.0.2;20.0.0.2;30.0.0.2)。

总结：
1. ping使用到的是哪两类ICMP消息？
2. 当网络设备受到TTL值为0的IP报文时，会如何操作？
答：
1. Ping利用ICMP Echo请求消息(Type值为8)来发起检测目的可达性。目的端收到ICMP Echo请求消息后,根据IP报文头中的源地址向源端发送ICMP Echo回复消息(Type值为0)。
2. 如果IP数据报在到达目的之前TTL值已经降为0,则收到IP数据包的网络设备会丢弃该数据包,并向源端发送ICMP消息通知源端TTL超时。