1 ICMP協議概述
ICMP(Internet Control Message Protocol)協議是因特網控制報文協議，ICMP常被認爲是網絡層協議，它的報文存在於IP數據報的數據部分，如圖。
因爲ICMP是基於IP數據報的，所以跟TCP不同的是，它是不需要指定端口的，更沒有建立連接一說。而且，通常來說ICMP協議都是內核幫你實現的，系統自身就支持了，並不像TCP/HTTP等還要自己開個服務監聽對應端口啥的。 可能有人會有疑問了，既然沒有端口來標識了，那我有時候開多個ping進程，這些響應消息是怎麼對應到不同的ping進程的？ 這個就是ICMP報文裏面的標識符的作用了。標識符會在響應中帶回來，這樣發送方就能根據標識符將請求和應答匹配了。在ping中，這個標識符就是進程ID。
ICMP報文有多種類型，如地址掩碼請求和應答、時間戳請求和應答、請求回顯和回顯應答等。ICMP報文通用格式如下，不同類型的報文內容有所不同。ICMP協議在 ping，traceroute等工具中有典型應用，下面都分析一下。
2 Ping 原理分析
ping使用的是 ICMP 的請求回顯/回顯應答類型的報文，格式如下。它的內容包括標識符、序列號以及回顯數據3部分，報文大小默認爲 64 字節(header的8字節+body的56字節)。
- 請求回顯類型是8，回顯應答類型是0，他們代碼都是 0，校驗和是包內容根據算法生成用於校驗數據完整性。
- 標識符在 Linux/macOS 中用的是進程ID。
- 序列號在 Linux/macOS 中是從0遞增的，每個進程獨立的。
- 回顯數據包括髮送ping請求的時間戳(在macOS佔8字節，在Linux佔16字節)，以及一串填充數據，在Linux這串數字默認是0x10...37，共40字節。在macOS中是0x08090a...37，共48字節。填充數據你也可以通過
-p pattern指定，比如ping -pff 192.168.33.10，則填充數據全部是 ff。 - 默認TTL是64，你可以通過
-t ttl指定TTL值。 - ping請求時間 = 接收到回顯應答的時間 - 應答回顯數據中的時間
實例分析
在測試機ping我的虛擬機 ping -c2 192.168.33.10，192.168.33.10是我測試用的虛擬機IP，wireshark抓包如下：
可以驗證前面的分析。第2對請求和應答跟第一對類似，只是序列號，校驗和等不同罷了。
關於校驗和
ICMP報文頭部中的校驗和生成/校驗方式也比較簡單。
- 生成：先將校驗和置爲0，然後將ICMP報文的header+body按16bit分組求和。如果結果溢出，則將高16位和低16位求和，直到高16位爲0。最後求反就是檢驗和的值。
- 校驗：將報文的header+body按16bit分組求和(包括校驗和字段)，看看結果是否全是1，如果不是，則校驗失敗。
如何自己寫一個ping？可以參考下這位朋友的ping工具的 python實現。 Lingerhk: icmp_ping_tool.py
3 Traceroute 原理分析
traceroute 用於查看IP數據報從一臺主機傳到另一臺主機所經過的路由。其實，在IP數據報的頭部的選項字段有一個 IP記錄路由選項(RR)，它也可以記錄路由。爲什麼不直接用它而是另外弄出個traceroute工具，這是因爲：
- 1）IP首部長度限制，導致記錄的IP地址最多9個 ，遠遠不夠。
- 2）並不是所有路由器都支持記錄路由選項，因此某些路徑無法使用。
traceroute 用到ICMP協議和TTL字段。TTL字段是數據報的生存週期，初始值通常默認是64，每個處理數據報的路由器都需要把TTL值減去1或者數據報在路由器停留的秒數(因爲絕大多數路由器轉發數據報時延都小於1秒，因此通常都是減去1，而且很多路由器的實現即便超過1秒也是減去1，因此可以把TTL看做一個跳站計數器)。路由器接收到一份IP數據報時，如果TTL爲0或者1，則路由器不轉發該數據報，而是丟棄並給源機器發送一份ICMP超時報文，而ICMP信息中的IP報文中源地址正是路由器的IP地址。
traceroute的原理就是：
- 先發送一份TTL爲1的報文，這樣第一個路由器會將TTL減1然後丟棄該報文，併發回一個ICMP超時報文，這樣就得到了第一個路由器的IP地址；接着發送一個TTL爲2的報文，可以得到第二個路由器的IP地址；繼續該過程直到目的主機。
- 但是目的主機即便收到TTL爲1的報文，它也不會丟棄該數據報併發回一份ICMP超時報文，因爲此時數據報已經到了目的地。爲了判斷是否到達目的主機，traceroute發送的報文采用了UDP數據報，它選擇一個很大的端口值如30000以上的，以保證沒有其他應用程序使用該端口，然後目的主機會返回一個端口不可達的ICMP報文，這樣就可以知道什麼時候結束。
- traceroute針對每個TTL會發3次UDP報文，並打印每次的往返時間。如果5秒內沒有收到3次報文中任何一個的響應，則打印*號繼續下一個TLL的報文發送。3次報文選擇的UDP目的端口分別是 33435，33436，33437，UDP報文數據長度爲24字節，內容爲全0(macOS環境)。
實例分析
運行 traceroute 119.75.217.109，可以看到wireshark抓包的前幾跳信息，TTL最開始是1，然後是2...，端口是33435到33437，每個TTL發3次報文，在沒有達到目的主機前，返回的是ICMP超時報文。到達主機後，則會返回ICMP端口不可達報文。
由於IP路由通常都是動態的，每個路由器都要判斷數據報接下來要轉發到哪個路由器，應用程序對路由策略並不控制。而traceroute程序的IP源站選路選項(-g gateway)可以實現發送者指定路由，比如指定必須經過哪些路由IP，這裏就不展開了。有興趣的可以參見 《TCP/IP詳解 卷1：協議》的第8章。
參考資料
- 《TCP/IP詳解 卷1:協議》第6、7、8章
- https://zh.scribd.com/doc/7074846/ICMP-and-Checksum-Calc(注：本文中引用的ICMP報文結構圖都來自這裏)
- https://linux.die.net/man/8/ping
- https://github.com/Lingerhk/hacking_script/blob/master/net_attacking/icmp_ping_tool.py