ICMP协议一文双篇详解

ICMP协议是IP的一个组成部分，负责传递 「控制信息」。

ICMP的功能是检错而不是纠错；

它将出错的报文返回给发送方的设备，发送方根据ICMP报文确定「错误类型」，从而更好的重发错误的数据包。

我们用来测试网络连通性的 ping 命令，就是ICMP的工作过程。

二、数据报格式
ICMP是IP协议的一部分，因此，ICMP协议的报文包含在IP数据报的数据部分：

1）类型（Type）：4位，标明ICMP报文的作用及格式。

2）代码（Code）：4位，标明报文的类型。

3）校验和：8位，检验报文是否有误。

三、报文类型
ICMP协议主要通过 Type 和 Code 的组合，来标明报文的类型，常见的有三种：

1）请求响应

发送方发送一个 Type =8 的报文，途中没有异常，接收方就会返回一个 Type=0 的报文；

比如下面这一对请求和响应，注意看我圈中的地方：

2）网络、主机、协议、端口不可达

这几种情况的报文类型都是一样的，接收方返回一个 Type = 3 ， Code=3 的报文，意思就是端口不可达（访问了一个不存在的端口），比如下面这个响应，重点看我圈中的地方：

常见的不可到达类型还有网络不可到达（Code=0）、主机不可到达（Code=1）、协议不可到达（Code=2）。

完整的ICMP报文类型如下：

1.ICMP协议简介

ICMP（Internet Control Message Protocol）是一种网络协议，它用于在IP网络中传递控制信息和错误消息。它通常与IP协议一起使用，IP协议负责发送和路由数据包，而ICMP协议负责检查网络是否可达、路由是否正确、主机是否可达等网络状态的反馈信息。

ICMP协议的主要功能如下：

发现网络错误：当一个数据包在传输过程中出现错误时，ICMP协议通过向发送方发送错误通知来发现网络错误。

检查网络是否可达：通过发送ICMP ECHO请求并接收ICMP ECHO回复消息，可以确定目标主机是否可达。

发现主机错误：当一个主机无法正常工作时，ICMP协议通过向发送方发送错误通知来发现主机错误。

发送路由信息：ICMP协议可以向其他主机发送路由信息，以帮助它们在网络中找到合适的路由。

2.ICMP报文格式

2.1 ICMP报文以太网数据帧格式

图 1 ICMP以太网数据帧

ICMP报文属于IP子协议，协议号为1。

2.2 ICMP首部格式

图 2 ICMP首部格式

其中各字段的含义如下：

类型（Type）：指定 ICMP 报文的类型，占 1 个字节。常见类型有：回显应答（Echo Reply：0）、回显请求（Echo Request：8）等。

代码（Code）：指定 ICMP 报文的代码，占 1 个字节。用于进一步描述 ICMP 报文，与 Type 字段组合使用。

校验和（Checksum）：校验和，用于检查 ICMP 报文是否有损坏，占 2 个字节。

由类型决定的4字节：根据类型不一样，4字节表达的意思不一样。

数据（Data）：数据，可变长度。可以是任意数据，长度由具体的 ICMP 报文类型和代码决定。

2.3 ICMP报文类型列表

表 1 ICMP报文类型表

常见的ICMP报文类型：

Echo Reply（回显应答）：用于回复Echo Request（回显请求）报文，通常用于测试网络连接是否正常。

Destination Unreachable（目的地不可达）：用于指示主机或路由器无法到达目的地或某个网络服务不可用。

Source Quench（源站抑制）：当接收方无法处理所有传入的数据报时，源站抑制报文会发送到发送方，以通知其减慢数据传输速度。

Redirect（重定向）：用于通知发送方，其正在使用的路由不再是最佳路由，建议使用另一条路由。

Echo Request（回显请求）：用于测试测试网络连接是否正常。

Time Exceeded（时间超时）：用于指示一个数据包在传输过程中被丢弃，原因是数据包在经过路由器时超过了其生存时间。

Parameter Problem（参数问题）：用于指示数据包头部中存在错误的参数或选项，导致数据包无法被识别或处理。

Timestamp Request/Reply（时间戳请求/应答）：用于向另一个主机请求当前时间戳，并将其返回给请求方。

Information Request/Reply（信息请求/应答）：用于向另一个主机请求特定信息，并将其返回给请求方。

Address Mask Request/Reply（地址掩码请求/应答）：用于请求另一个主机的网络掩码，并将其返回给请求方。

3.ICMP故障排查工具

3.1 ping工具

Ping命令是一种常用的网络诊断工具，用于测试网络连接性和响应时间。它发送一个ICMP数据包（Internet控制消息协议），并在目标主机收到数据包后返回一个响应，以确定目标主机是否可达，以及响应时间。

Ping命令的语法如下：

ping [-t] [-a] [-n count] [-l size] [-f] [-i TTL] [-v TOS] [-r count] [-s count] [[-j host-list] | [-k host-list]] [-w timeout] destination-list

其中，常用的参数包括：

-t：持续发送数据包，直到手动停止

-a：解析IP地址为主机名

-n count：指定要发送的数据包数

-l size：指定要发送的数据包大小

-f：在数据包中设置“不分片”标志

-i TTL：设置数据包的存活时间

-w timeout：指定等待响应的最大时间

3.2 traceroute工具

traceroute命令用于检测网络连接的路径和延迟时间，以及确定网络上的故障点。它通过向目标主机发送一系列的数据包，并记录每个包从源主机到目标主机的路由路径上所经过的中间节点（路由器）。

traceroute命令会输出每个中间节点的IP地址、主机名（如果可用）、延迟时间和TTL值。TTL（Time to Live）值是每个数据包的生命周期，当数据包经过一个路由器时，TTL值就会减少1，如果TTL值降到0，则该数据包就会被丢弃并返回一个ICMP超时消息，这样我们就可以知道数据包到达了哪个中间节点。

例如，我们可以使用以下命令来traceroute到百度的IP地址（202.108.22.5）：

traceroute 202.108.22.5

输出结果可能类似于以下内容：

traceroute to 202.108.22.5 (202.108.22.5), 30 hops max, 60 byte packets

 1  router (192.168.1.1)  2.025 ms  1.326 ms  1.115 ms

 2  100.64.0.1 (100.64.0.1)  4.505 ms  4.591 ms  4.659 ms

 3  218.240.40.121 (218.240.40.121)  7.131 ms  7.217 ms  7.291 ms

 4  218.240.40.146 (218.240.40.146)  25.398 ms  25.397 ms  25.393 ms

 5  202.96.12.26 (202.96.12.26)  25.373 ms 202.96.12.34 (202.96.12.34)  25.357 ms  25.344 ms

 6  202.96.12.110 (202.96.12.110)  25.314 ms  25.301 ms  25.289 ms

 7  202.97.94.118 (202.97.94.118)  25.492 ms 202.97.94.114 (202.97.94.114)  25.478 ms  25.463 ms

 8  202.97.58.237 (202.97.58.237)  25.434 ms  25.409 ms  25.394 ms

 9  202.97.58.233 (202.97.58.233)  25.372 ms  25.363 ms  25.349 ms

10  * * *

11  * * *

12  202.108.22.5 (202.108.22.5)  25.633 ms  25.618 ms  25.603 ms

从输出结果中可以看到，traceroute命令首先会输出目标主机的IP地址和最大跳数（30），然后每一行显示一个中间节点的信息。例如，第一行显示第一个中间节点的IP地址（192.168.1.1）、主机名（如果可用）、三次ping的延迟时间。最后一行显示目标主机的IP地址和延迟时间。在第10和11行中，我们看到了两个星号，这表示该数据包在到达该中间节点时已经超时并被丢弃了，因此我们无法确定该节点的IP地址。

4.常见ICMP报文

4.1 ICMP请求和应答

执行ping命令，ping一个可以通信的IP地址，如下命令：

ping 223.5.5.5

ping通后会收到对端发来的ICMP应答报文。

ICMP回显请求报文

图 3 ICMP回显请求报文

ICMP回显响应报文

图 4 ICMP回显响应报文

4.2 ICMP差错报告报文

TTL过期差错报告报文

图 5 TTL过期原理

ping命令通过-i指定TTL值，如下命令：

ping 223.5.5.5 -i 5 -t

命令指定TTL值为5，也就是通过5个路由器后，TTL会变成0，数据包丢弃，路由器发送ICMP TTL过期报文给源主机。

ICMP TTL过期报文

图 6 TTL过期差错报告报文

4.3 目标主机不可达

当我们使用ping命令向一个主机发送ICMP（Internet控制消息协议）数据包时，如果目标主机无法到达，我们将会得到“目标主机不可达”的错误提示。

这个错误通常是由以下几种原因引起的：

1. 目标主机已经关闭或没有连接到网络。这种情况下，我们无法通过网络与目标主机通信。
2. 网络连接故障。如果网络连接故障，例如连接断开或路由器故障，那么我们无法到达目标主机。
3. 防火墙阻止了ping请求。如果目标主机上的防火墙设置了规则以阻止ping请求，那么我们无法与目标主机进行通信。
4. ICMP协议被禁用。有些主机可能会禁用ICMP协议，这意味着它们不会回应ping请求。

ICMP目标主机不可达报文

ICMP type：3，code：1

5.ICMP校验和计算

ICMP校验和计算的校验数据为整个ICMP数据包。

5.1 ICMP校验和计算

a.校验数据以16bit为单位进行累加求和，校验数据需为偶数字节，奇数字节末尾填充0变为偶数字节。

b.如果累加和超过16bit，产生了进位，需将高16bit和低16bit累加求和。

c.循环步骤2，直至未产生进位为止。

d.累加和取反得到校验和。

5.2 ICMP校验和验证

a.校验数据16bit为单位进行累加求和，校验数据需为偶数字节，奇数字节末尾填充0变为偶数字节。

b.如果累加和超过16bit，产生了进位，需将高16bit和低16bit累加求和。

c.循环步骤2，直至未产生进位为止。

d.累加和和校验和相加得到0xffff，校验成功，否则失败。

6.ICMP编程示例

6.1 发送回显请求

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

#include <stdint.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <netinet/ip.h>

#include <netinet/ip_icmp.h>

#include <arpa/inet.h>

#define PACKET_SIZE 4096

#define ICMP_PACKET_SIZE 28

uint16_t checksum(uint16_t *buf, int len)

{

    unsigned long sum = 0;

    while (len > 1) {

        sum += *buf++;

        len -= 2;

    }

    if (len == 1) {

        sum += *(unsigned char *)buf;

    }

    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);

    sum += (sum >> 16);

    return ~sum;

}

int main(int argc, char *argv[])

{

    if (argc != 2) {

        printf("Usage: %s <destination_ip>\n", argv[0]);

        return -1;

    }

    char buf[PACKET_SIZE] = {0};

    memset(buf, 0, sizeof(buf));

    int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

    if (sockfd < 0) {

        perror("socket error");

        return -1;

    }

    struct sockaddr_in dest_addr;

    memset(&dest_addr, 0, sizeof(dest_addr));

    dest_addr.sin_family = AF_INET;

    dest_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);

    uint16_t seq = 0;

    while(1) {

        memset(buf, 0, PACKET_SIZE);

        struct icmp *icmp_packet = (struct icmp *)buf;

        icmp_packet->icmp_type = ICMP_ECHO;

        icmp_packet->icmp_code = 0;

        icmp_packet->icmp_id = 0;

        icmp_packet->icmp_seq = seq++;

        memset(icmp_packet->icmp_data, 0, ICMP_PACKET_SIZE);

        icmp_packet->icmp_cksum = 0;

        icmp_packet->icmp_cksum = checksum((uint16_t *)icmp_packet, ICMP_PACKET_SIZE);

        printf("icmp_packet size:%lu\n", sizeof(struct icmp));

        int sent_bytes = sendto(sockfd, buf, sizeof(struct icmp), 0, (struct sockaddr *)&dest_addr, sizeof(dest_addr));

        if (sent_bytes <= 0) {

            perror("sendto error");

            break;

        }

        printf("sent icmp request:%d bytes to:%s\n", sent_bytes, argv[1]);

        int recv_bytes = recv(sockfd, buf, PACKET_SIZE, 0);

        if (recv_bytes <= 0) {

            perror("recv");

            break;

        }

        struct iphdr *ip_packet = (struct iphdr *)buf;

        struct icmp *icmp_reply = (struct icmp *)(buf + (ip_packet->ihl << 2));

        printf("recv icmp reply:%d from:%s\n", recv_bytes, inet_ntoa(dest_addr.sin_addr));

        printf("icmp type:%d,code:%d\n", icmp_reply->icmp_type, icmp_reply->icmp_code);

        sleep(1);

    }

    close(sockfd);

    return 0;

}

6.2 发送回显应答

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <stdint.h>

#include <stdbool.h>

#include <unistd.h>

#include <errno.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/ip.h>

#include <netinet/ip_icmp.h>

#include <linux/in.h>

#include <arpa/inet.h>

#define IP_HDRLEN (20)

#define PACKET_SIZE (4096)

uint16_t checksum(uint16_t *buf, int len)

{

    unsigned long sum = 0;

    while (len > 1) {

        sum += *buf++;

        len -= 2;

    }

    if (len == 1) {

        sum += *(unsigned char *)buf;

    }

    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);

    sum += (sum >> 16);

    return ~sum;

}

uint16_t checksum_nofold(uint16_t *buf, int len)

{

    unsigned long sum = 0;

    while (len > 1) {

        sum += *buf++;

        len -= 2;

    }

    if (len == 1) {

        sum += *(unsigned char *)buf;

    }

    sum = (sum >> 16) + (sum & 0xffff);

    sum += (sum >> 16);

    return sum;

}

bool parse_pack(char *buf, uint32_t len) {

    struct icmp *icmp_packet = (struct icmp *)buf;

    uint16_t csum = checksum_nofold((uint16_t *)buf, len);

    printf("icmp csum:0x%04x\n", csum);

    return csum == 0xffff;

}

int main(int argc , char *argv[]) {

    int sockfd;

    int ret;

    char send_buf[PACKET_SIZE] = {0};

    char recv_buf[PACKET_SIZE] = {0};

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_RAW, IPPROTO_ICMP);

    if (sockfd == -1) {

        perror("socket error");

        return -1;

    }

    while(1) {

        struct sockaddr_in peer;

        socklen_t peerlen = sizeof(peer);

        memset(recv_buf, 0, PACKET_SIZE);

        ret = recvfrom(sockfd, recv_buf, PACKET_SIZE, 0, (struct sockaddr *)&peer, &peerlen);

        if (ret <= 0) {

            printf("ret:%d, errno:%d(%s)\n", ret, errno, strerror(errno));

        } else {

            printf("recv len:%d, peer src:port->%s:%d\n", ret, inet_ntoa(peer.sin_addr), ntohs(peer.sin_port));

            bool bret = parse_pack(recv_buf, ret);

            if (bret) {

                struct icmp *recv_icmp = (struct icmp *)(recv_buf + sizeof(struct iphdr));

                memset(send_buf, 0, PACKET_SIZE);

                struct icmp *icmp_packet = (struct icmp *)send_buf;

                icmp_packet->icmp_type = ICMP_ECHOREPLY;

                icmp_packet->icmp_code = 0;

                icmp_packet->icmp_id = 0;

                icmp_packet->icmp_seq = recv_icmp->icmp_seq;

                memset(icmp_packet->icmp_data, 0, sizeof(struct icmp));

                icmp_packet->icmp_cksum = 0;

                icmp_packet->icmp_cksum = checksum((uint16_t *)icmp_packet, sizeof(struct icmp));

                int sent_bytes = sendto(sockfd, send_buf, sizeof(struct icmp), 0, (struct sockaddr *)&peer, sizeof(peer));

                if (sent_bytes <= 0) {

                    perror("sendto error");

                    break;

                }

            }

        }

    }

    close(sockfd);

    return 0;

}