作者 | 木木匠
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01 概览
对于 ping
命令,想必只要是程序员都知道吧?当我们检查网络情况的时候,最先使用的命令肯定是ping
命令吧?一般我们用ping
查看网络情况,主要是检查两个指标:
第一个是看看是不是超时
第二个看看是不是延迟太高
如果超时那么肯定是网络有问题(禁 ping
情况除外);如果延迟太高,网络情况肯定也是很糟糕的。
那么对于 ping
命令的原理,ping
是如何检查网络的?大家之前有了解吗?接下来我们来跟着ping
命令走一圈,看看ping
是如何工作的。
02 环境准备和抓包
环境准备
抓包工具:Wireshark 准备两台电脑,进行互 ping
操作:
A电脑(IP地址: 192.168.2.135
/ mac地址:98:22:EF:E8:A8:87
)
B电脑(IP地址: 192.168.2.179
/ MAC地址:90:A4:DE:C2:DF:FE
)
抓包操作
打开 Wireshark,选取指定的网卡进行抓包,进行 ping操作,在 A电脑上 ping B电脑的 IP
抓包情况如下:
这里先简单的介绍下Wireshark的控制面板,这个面板包含7个字段,分别是:
NO
: 编号
Time
: 包的时间戳
Source
: 源地址
Destination
: 目标地址
Protocol
: 协议
Length
: 包长度
Info
: 数据包附加信息
03 深入解析
上图中抓包编号 54-132
显示的就是整个ping
命令的过程,我们知道ping
命令不是依托于 TCP或者 UDP这种传输层协议的,而是依托于ICMP
协议实现的, 那么什么是ICMP
协议呢?这里简单介绍下:
ICMP协议的产生背景
[RFC792]中说明了 ICMP
产生的原因:由于互联网之间通讯会涉及很多网关和主机,为了能够报告数据错误,所以产生了ICMP
协议。也就是说ICMP
协议就是为了更高效的转发 IP数据报和提高交付成功的机会。
ICMP协议的数据格式
根据上图我们知道了 ICMP
协议头包含 4个字节,头部主要用来说明类型和校验ICMP
报文。下图是对应的类型和代码释义列表,我们后面分析抓包的时候会用到。
简单介绍完了 ICMP
,那么抓包过程中出现的ARP
协议是什么呢?我们同样来简单解释下:
ARP协议
我们知道,在一个局域网中,计算机通信实际上是依赖于 MAC
地址进行通信的,那么ARP
(AddressResolutionProtocol
)的作用就是根据 IP地址查找出对应的 MAC地址。
Ping过程解析
了解了上面的基础概念后,我们来分析下抓包的数据,其流程如下:
A 电脑( 192.168.2.135
)发起ping
请求,ping192.168.2.179
A 电脑广播发起 ARP
请求,查询192.168.2.179
的 MAC地址。
B 电脑应答 ARP
请求,向 A电脑发起单向应答,告诉 A电脑自己的 MAC地址为90:A4:DE:C2:DF:FE
知道了 MAC地址后,开始进行真正的 ping请求,由于 B电脑可以根据A电脑发送的请求知道 源 MAC地址,所以就可以根据源 MAC地址进行响应了。
上面的请求过程我画成流程图比较直观一点:
观察仔细的朋友可能已经发现,Ping 4次请求和响应结束后,还有一次 B电脑对 A电脑的 ARP请求,这是为什么呢?这里我猜测应该是有 2个原因:
由于 ARP
有缓存机制,为了防止ARP
过期,结束后重新更新下ARP
缓存,保证下次请求能去往正确的路径,如果ARP
过期就会导致出现一次错误,从而影响测试准确性。
由于 ping命令的响应时间是根据请求包和响应包的时间戳计算出来的,所以一次 ARP
过程也是会消耗时间。这里提前缓存最新的ARP
结果就是节省了下次ping
的ARP
时间。
为了验证我们的猜测,我再进行一次 ping
操作,抓包看看是不是和我们猜测的一样。此时,计算机里面已经有了ARP的缓存,我们执行ARP-a
看看缓存的arp列表:
我们看看第二次 ping
的抓包
我们看到上图中在真正 ping
之前并没有进行一次ARP
请求,这也就是说,直接拿了缓存中的ARP
来执行了,另外当 B计算机进行响应之前还是进行了一次ARP
请求,它还是要确认下之前的ARP
缓存是否为正确的。然后结束ping
操作之后,同样再发一次ARP
请求,更新下自己的ARP
缓存。这里和我们的猜想基本一致。
弄懂了 ping
的流程之后我们来解析下之前解释的ICMP
数据结果是否和抓包的一致。我们来点击一个ping request
看看ICMP
协议详情
图中红框内就行 ICMP
协议的详情了,这里的Type=8,code=0
, 校验是正确,且这是一个请求报文。我们再点击Responseframe:57
,这里说明响应报文在序号57
。详情如下:
上图的响应报文, Type=0,code=0
,这里知道就是响应报文了,然后最后就是根据请求和响应的时间戳计算出来的响应延迟。3379.764ms-3376.890ms=2.874ms
。
04 总结
我们分析了一次完整的 ping
请求过程,ping
命令是依托于ICMP
协议的,ICMP
协议的存在就是为了更高效的转发 IP数据报和提高交付成功的机会。ping
命令除了依托于ICMP
,在局域网下还要借助于ARP
协议,ARP
协议能根据 IP地址反查出计算机的 MAC地址。另外ARP
是有缓存的,为了保证ARP
的准确性,计算机会更新ARP缓存。