《TCP/IP详解卷1：协议》之第七、八章：Ping Traceroute

一、ICMP回显请求和回显应答

1、ICMP回显请求

2、ICMP回显应答

二、ARP高速缓存

三、IP记录路由选项（Record Route，RR）

1、记录路由选项的工作过程

2、RR 选项的 IP 头部格式

2.1、RR 请求

2.2、RR响应

四、ping 的去返路径

五、tracert 原理

1、TTL 字段

2. 工作过程

六、tracert 测试

一、ICMP回显请求和回显应答

ping + ip/域名，这应该是 ping 程序最被常用的指令了，用来检测网络的连通性。其中，主要包含两类 ICMP 报文：icmp回显请求和回显应答，其报文格式如下

1、ICMP回显请求

type = 8，code = 0

2、ICMP回显应答

type = 0，code = 0

二、ARP高速缓存

正如原文中说到：“通常，第1个往返时间值要比其他的大。这是由于目的端的硬件地址不在ARP高速缓存中的缘故。”

解释：通常情况下，当我们第一次ping一个陌生的域名时，会先尝试寻求 dns 解析域名得到 ip 地址，然后再发送 arp 得到 ip 地址对应的以太网地址，这会需要一定的时间。而当得到 ip 跟以太网地址的映射后会记录到 APR 高速缓存中，在这个映射被老化之前，以后的 ping 就不再需要经过 arp 请求动作。所以在 ping ip/域名时，可能会出现 “第1个往返时间值要比其他的大” 的现象。

三、IP记录路由选项（Record Route，RR）

记录路由选项（RR）：是一种IP选项，用于记录数据报在传输过程中经过的路由器的IP地址。ping 程序通过设置这个选项，可以追踪数据报的传输路径。

注：值得注意的是，RR 是一个 IP选项，而不是定义封装在 ICMP 报文中的。

1、记录路由选项的工作过程

发送阶段：
- 当ping程序发送包含IPRR选项的IP数据报时，数据报中会预留一个字段用于记录路由信息。
- 每个处理该数据报的路由器都会将自己的IP地址写入这个预留字段中。
- 这样，数据报在传输过程中会逐步记录经过的路由器的IP地址。
接收阶段：
- 当数据报到达目的地时，目标主机的IP地址也会被记录在清单中。
- 目标主机收到数据报后，会生成一个ICMP回显应答报文。
- 在回显应答报文中，记录路由选项字段中的IP地址清单会被复制到回显应答报文中。
- 当回显应答报文返回到源主机时，沿途经过的路由器也会将自己的IP地址加入到清单中。

2、RR 选项的 IP 头部格式

如下头部格式所示：其中，options 的 Type 为 7 表示 RR。Tpye、Length、Pointer 各占 1字节。

注：需要说明的一点，IP首部中的首部长度字段只有 4bit，因此整个IP首部最长只能包括15个32 bit 长度（即60个字节）。由于IP首部固定长度为20字节，RR选项用去3个字节，这样只剩下37个字节（60-20-3）来存放IP地址清单，也就是说只能存放 9个 IP地址。

当我们使用 ping 命令时也会有提示，RR（IP地址）清单有效范围为 1~9。

2.1、RR 请求

如下，是一个 ping 程序携带 -r 8 参数抓取的报文，可以看到：

①、code是一个字节，指明IP选项的类型。对于RR选项来说，它的值为7。

②、len是RR选项总字节长度，即 35字节 = 3 +（4*8）。

③、pontier 称作指针字段，指向存放下一个IP地址的位置。它的最小值为4，指向存放第一个IP地址的位置。随着每个IP地址存入清单，ptr的值分别为8，12，16，最大到36。

④、在 IP首部初始化了8个四字节的“Empty Route”

2.2、RR响应

可以看到，pontier 指针的值为 20，即记录了 4 = (20/4 - 1) 个路由IP地址

四、ping 的去返路径

值得留意的是，ping 的出发路径跟返回返回路径并不一定是对等的。这取决于路径中的设备的路由决策。

比如，由设备A ping 目的设备C，其 ping 的出发路径是 A -> B -> C，

而返回路径可能是 C->D->B->A，这是因为对于 C 目标设备来说，它并不知道 A设备的确定路由，于是采用默认路由策略将分组送往 D设备。

五、tracert 原理

注：我是在 windows 上测试的，所以使用的是 tracer。如果你是在例如 linux 上系统上执行，应该使用的是 traceroute。

我们知道，IP首部中留给选项的空间有限，不能存放当前大多数的路径。在IP首部选项字段中最多只能存放9个IP地址。所以这通常没办法通过 ping 来探测一个完整路径。

所以我们需要其他方式来探测完整的路由路径，比如 tracert。 tracert 的工作原理基于 IP 协议中的 TTL（Time To Live，生存时间）字段和 ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制消息协议）消息。

1、TTL 字段

每个 IP 数据包都有一个 TTL 字段，初始值由发送方设置。
每经过一个路由器，TTL 值会减 1。当 TTL 值减到 0 时，路由器会丢弃该数据包，并向发送方发送一个 ICMP Time Exceeded 消息。
tracert 利用这一机制来确定数据包经过的每一跳路由器。

2. 工作过程

发送数据包：
- tracert 从本地主机开始，发送一个带有 TTL 值为 1 的 UDP（或 ICMP）数据包到目标主机。
- 第一个路由器收到数据包后，将 TTL 减 1，发现 TTL 为 0，于是丢弃数据包，并向发送方发送一个 ICMP Time Exceeded 消息。
- 发送方收到这个消息后，记录下第一个路由器的 IP 地址。
递增 TTL 值：
- 接下来，tracert 再发送一个带有 TTL 值为 2 的数据包。
- 数据包经过第一个路由器后，TTL 减 1 变为 1，继续到达第二个路由器。
- 第二个路由器将 TTL 减 1，发现 TTL 为 0，于是丢弃数据包，并向发送方发送一个 ICMP Time Exceeded 消息。
- 发送方记录下第二个路由器的 IP 地址。
重复过程：
- tracert 逐渐增加 TTL 值，依次记录每一跳路由器的 IP 地址，直到数据包到达目标主机。
- 当数据包到达目标主机时，目标主机会返回一个 ICMP Echo Reply 消息，表示数据包已经到达目的地。
输出结果：
- tracert 将每一跳的路由器 IP 地址、延迟时间等信息显示出来，形成完整的路径。