ICMP协议原理与实践

ICMP协议原理与实践

ICMP（Internet Control Message Protocol）是互联网控制信息协议，主要用于实现IP网络层的连通性测试和差错报告。本文将深入探讨ICMP协议的基本原理，并通过Ping和Tracert工具的具体应用，帮助读者理解ICMP协议在实际网络环境中的工作方式。

ICMP简介

ICMP（Internet Control Message Protocol），用于实现IP网络层的连通性测试和差错报告。常用的Ping程序和Tracert程序便是基于ICMP协议进行开发的。

ICMP分组

ICMP协议根据类型值和代码值的组合，有非常多的分组类型，常用的ICMP分组有请求回显、回显应答、网络不可达、端口不可达、生存时间超时等。不同的ICMP分组应用在不同的环境，例如当采用Ping程序测试连通性时，则调用请求回显和回显应答分组，当采用Tracert程序时，则调用生存时间超时或端口不可达分组。

Ping原理

Ping程序是应用非常广泛，用于实现连通性测试的工具，以下图示解释了Ping的工作原理：

从上图可以看到，PC1在测试本地到PC2的连通性，所以向PC2发送ICMP的请求回显分组，PC2收到请求之后，向PC1发送回显应答分组，此时PC1便可以得知PC2“在那里”。若PC1没有收到回显应答分组，则说明PC1与PC2链路有故障。

Tracert原理

Tracert程序也是应用非常广泛，用于实现链路追踪的工具，可以用来探测链路中的某个节点是否有问题，也可以用来分析网络拓扑结构。以下图示解释了Tracert的工作原理：

从上图可以看到，PC1要追踪本地到目的服务器8.8.8.8的沿途路径，所以向外发送追踪包。追踪包是一个UDP分组，目的IP为8.8.8.8，目的端口为55555（目的端口随机生成，但是数值非常高，大部分服务器没有提供此服务），TTL从1开始不断递增。沿途的路由器收到追踪包之后，发现数据包不是给自己的，便开始查找路由表准备向外转发，当TTL减去1并且为0时，意味着此追踪包失效，路由器便需要返回一个ICMP TTL超时信息给源发送者；当数据包刚好到达目的服务器时，服务器不再将TTL减去1，而是解封装到传输层，此时便看到UDP的高端口，本地没有这个端口服务时，则返回源通告者ICMP端口不可达信息。PC1便可以根据返回的IP地址，收集到沿途设备的IP列表，得知大概的网络拓扑结构。

ICMP实验步骤

1. 根据以上实验拓扑搭建实验环境（R1-R2-R3），初始化实验设备，开启接口并配置IP地址

R1(config)#int f0/0
R1(config-if)#no shutdown
R1(config-if)#ip address 12.1.1.1 255.255.255.0
R2(config)#int f0/0
R2(config-if)#no shutdown
R2(config-if)#ip add 12.1.1.2 255.255.255.0
R2(config)#int f1/0
R2(config-if)#no shutdown
R2(config-if)#ip address 23.1.1.2 255.255.255.0
R3(config)#int f0/0
R3(config-if)#no shutdown
R3(config-if)#ip address 23.1.1.3 255.255.255.0
R3(config)#int loopback 1
R3(config-if)#ip address 8.8.8.8 255.255.255.255
R3(config-if)#exit

3. 在R1和R2链路上开启wireshark抓包，并且在R1上Ping R2

R1#ping 12.1.1.2
Type escape sequence to abort.
Sending 5, 100-byte ICMP Echos to 12.1.1.2, timeout is 2 seconds:
.!!!!
Success rate is 80 percent (4/5), round-trip min/avg/max = 32/38/44 ms

4. 在wireshark软件界面中观察ICMP数据包

从上图可以看到，R1向R2发送ICMP echo requtest即回显请求分组，R2向R1返回ICMP echo reply即回显应答分组，默认一次Ping有5个请求回复过程。

以下表格详细解读了ICMP请求回应分组的字段：

点击此图中的ICMP回显应答分组，可以得到以下分组界面：

可以看到，回显应答与回显请求除了类型值不同外，其他字段基本一样，另外，两种分组在报文尾部也夹带了时间戳信息，可以用于判断链路的来回延迟时间。

5. 在R1、R2、R3上部署RIPv2路由协议，保证全网连通性

R1(config)#router rip
R1(config-router)#version 2
R1(config-router)#no auto-summary
R1(config-router)#network 12.0.0.0
R2(config)#router rip
R2(config-router)#version 2
R2(config-router)#no auto-summary
R2(config-router)#network 12.0.0.0
R2(config-router)#network 23.0.0.0
R3(config)#router rip
R3(config-router)#version 2
R3(config-router)#no auto-summary
R3(config-router)#network 23.0.0.0
R3(config-router)#network 8.0.0.0

6. 查看R1上的路由表

R1#show ip route
Codes: C - connected, S - static, R - RIP, M - mobile, B - BGP
 D - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter area
 N1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2
 E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2
 i - IS-IS, su - IS-IS summary, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2
 ia - IS-IS inter area, * - candidate default, U - per-user static route
 o - ODR, P - periodic downloaded static route
Gateway of last resort is not set
 23.0.0.0/24 is subnetted, 1 subnets
R 23.1.1.0 [120/1] via 12.1.1.2, 00:00:12, FastEthernet0/0
 8.0.0.0/32 is subnetted, 1 subnets
R 8.8.8.8 [120/2] via 12.1.1.2, 00:00:12, FastEthernet0/0
 12.0.0.0/24 is subnetted, 1 subnets
C 12.1.1.0 is directly connected, FastEthernet0/0

可以看到，R1已经具有全网的路由。

7. 在R1和R2开启抓包，在R1上追踪8.8.8.8

R1#traceroute 8.8.8.8
Type escape sequence to abort.
Tracing the route to 8.8.8.8
 1 12.1.1.2 40 msec 36 msec 24 msec
 2 23.1.1.3 36 msec 60 msec 40 msec

通过追踪8.8.8.8，可以得到沿途路由器的IP地址。此时打开wireshark界面：

从上图可以看出，路由器每一跳发送3个UDP数据包，目的端口为高端口号，从33435开始；沿途设备12.1.1.2向源发生者12.1.1.1发送TTL超时信息，最终设备向源发生者返回ICMP端口不可达信息。

（1）打开UDP数据包，分组界面如下：

（2）打开ICMP TTL超时包，分组界面如下：

（3）打开ICMP端口不可达包，分组界面如下：

可以看到，追踪程序便是根据ICMP返回的数据包源IP地址，来获得网络的拓扑信息。此实验完成。