icmp协议、ip数据包 基础

icmp协议、ip数据包

ICMP 协议

1 定义与用途：

• ICMP（Internet Control Message Protocol）定义：
  • ICMP 是 Internet Control Message Protocol（互联网控制消息协议）的缩写。
  • 它是 TCP/IP 网络模型中的一个核心协议，属于网络层。
• ICMP的用途：
  • 错误处理：ICMP 主要用于在 IP 主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是关于网络通信的问题反馈，例如无法到达目的地、网络拥堵等。
  • 诊断与测试：它也用于网络诊断工具，比如 ping 和 traceroute 命令。这些工具通过发送 ICMP Echo 请求并等待 Echo 应答来检测两个网络节点之间的连通性。
  • 网络设备间通信：ICMP 用于网络设备间传递有关网络数据流和连接状态的信息。
• 重要性：
  • ICMP 不传输应用层数据，但它对于维护网络的健康和性能至关重要。通过 ICMP 错误消息，管理员可以了解网络状态，识别和解决问题。

2 工作原理：

• 消息传输机制：
  • ICMP 协议通过发送和接收类型化的消息来操作。这些消息被封装在 IP 数据包中，从而在各个网络节点间进行传输。
• 错误报告：
  • 当网络中出现问题，比如数据包无法正确到达目的地时，ICMP 被用来发送错误消息。例如，当一个数据包无法到达其指定目的地，或当路由器无法处理该数据包时，会发送一个 ICMP “目的地不可达”消息给数据包的发送方。
• 超时处理：
  • 如果数据包在网络中的存活时间（TTL，Time-To-Live）超时，ICMP 将发送一个“时间超过”消息给发送方。这是为了防止数据包在网络中无限循环。
• 信息查询和响应：
  • ICMP 也用于执行网络的诊断和测试。例如，Ping 命令就是通过发送 ICMP Echo 请求消息，并等待目的主机回复 ICMP Echo 应答消息，来检测网络的连通性。
• 网络配置和路由更新：
  • ICMP 还用于某些类型的网络配置和动态路由更新。例如，ICMP 重定向消息用于告诉发送方有更优的路由。
• 非拥塞控制：
  • 虽然 ICMP 不直接参与网络拥塞控制，但通过报告网络中的各种问题，它可以间接帮助网络设备和协议做出适应性调整。

3 消息类型：

• 回显请求与回显应答：
  • 这是 ICMP 最常用的消息类型之一，主要用于测试网络连接。
  • 在 Ping 命令中，发送方向目标发送一个 ICMP 回显请求消息，如果网络连接正常，目标则回复一个 ICMP 回显应答消息。
  • 这个过程有助于确认两个网络节点之间的连通性和延迟。
• 目的地不可达：
  • 当数据包无法成功到达目的地时，发送这种类型的 ICMP 消息。
  • 这可能是由于各种原因，如路由问题、目的网络不可达、端口不可达等。
• 时间超过：
  • 当数据包在网络中的生存时间（TTL）到期但还未到达目的地时，发送这种类型的 ICMP 消息。
  • 这通常防止了数据包在损坏的或不正确的网络中无休止地循环。
• 参数问题：
  • 如果数据包头部的某些字段有错误或不一致，将发送这种类型的 ICMP 消息。
  • 它有助于识别和解决数据包格式或内容的问题。
• 其他类型：
  • 重定向消息：用于通知发送方存在更优的路由。
  • 时间戳请求和时间戳应答：用于同步两个网络节点之间的时间或测量时间延迟。
  • 地址掩码请求和应答：用于确定本地网络的子网掩码。
  • 源抑制：用于告诉发送方减少发送到某个目的地的流量。

4 重要性：

• 网络故障诊断：
  • ICMP 是识别和诊断网络问题的关键工具。例如，通过 Ping 和 Traceroute 命令，网络管理员可以检测网络连接问题、路由问题和延迟。
• 错误报告机制：
  • ICMP 提供了一种机制来报告网络中的错误情况，如目的地不可达、路由错误等。这有助于及时发现并解决网络问题，防止更大的中断。
• 网络配置和管理：
  • ICMP 用于网络设备的配置和管理，如通过地址掩码请求确定子网配置，或者通过重定向消息优化路由。
• 网络性能优化：
  • 通过报告网络中的各种情况，如时间超过或参数问题，ICMP 有助于优化网络性能和资源的使用。
• 支持高级网络功能：
  • ICMP 也支持一些高级网络功能，如网络时间同步和路径 MTU 发现，这些对于保持网络的高效运行是必要的。
• 网络安全：
  • 虽然 ICMP 可以被用于执行某些类型的网络攻击（如 ICMP 泛洪攻击），但合适地监控和管理 ICMP 流量也是网络安全的一个重要方面。

IP 数据包

1 定义：

• IP 数据包，也被称为 IP 数据报，是在基于 IP（Internet Protocol，互联网协议）的网络中传输数据的基本单位。
• 在 TCP/IP 网络模型中，IP 数据包承载从源主机到目的主机的数据。这种传输可以跨越多种网络和介质，如 LAN（局域网）、WAN（广域网）和互联网。
• IP 数据包由两个主要部分组成：头部和负载。
  • 头部包含了控制信息，如版本、头部长度、服务类型、总长度、标识、标志、片偏移、生存时间（TTL）、协议、头部校验和、源 IP 地址和目的 IP 地址。
  • 负载（或数据部分）携带了实际要传输的数据，这些数据可能来自更高层的协议，如 TCP 或 UDP。
• IP 数据包的设计使得网络上的设备，如路由器和交换机，可以读取头部信息来正确地路由或处理数据包，而无需关心负载内容。

2 结构：

• 头部：
  • 版本：指明了 IP 协议的版本，通常是 IPv4 或 IPv6。
  • 头部长度：表示头部占用的总字节数。对于 IPv4，这通常介于 20 到 60 字节之间。
  • 服务类型：定义了数据包的处理优先级和服务质量。
  • 总长度：包括头部和负载的整个数据包的长度。
  • 标识、标志和片偏移：这些字段与 IP 分片有关，用于将大的数据包分割成小片以便在网络上传输。
  • 生存时间（TTL）：定义了数据包在网络中可以经过的最大路由器数。每经过一个路由器，TTL 减一，当 TTL 为零时，数据包被丢弃。
  • 协议：指明了负载使用的更高层协议，如 TCP 或 UDP。
  • 头部校验和：用于检测头部信息在传输过程中的任何错误。
  • 源 IP 地址和目的 IP 地址：标识了数据包的发送者和接收者的网络地址。
• 负载：
  • 负载部分携带了实际要传输的数据。
  • 数据来自更高层协议（如 TCP 或 UDP），并且可以包含各种类型的信息，例如网页内容、电子邮件、文件等。
  • 负载的大小和内容根据发送的数据和使用的应用协议而变化。

3 传输过程：

• 从源到目的地的传输：
  • IP 数据包的传输始于源主机，这是发送数据的设备，比如一台计算机或智能手机。
  • 目的地是数据包的接收方，它可以是网络上的任何设备，如另一台计算机、服务器或路由器。
• 通过路由器的传输：
  • 在数据包从源到达目的地的过程中，它通常会通过一个或多个中间设备，这些设备通常是路由器。
  • 路由器负责接收数据包，并根据其网络配置决定数据包的下一步行径。
  • 在大型网络或互联网中，数据包可能需要通过多个路由器才能到达最终目的地。
• 路由决策：
  • 路由器根据数据包头部的目的 IP 地址来决定如何转发数据包。
  • 每个路由器有一张路由表，指明了不同目的地的最佳下一跳。路由器根据这张表和其他路由协议来转发数据包。
• 动态路由和网络变化：
  • 路由器可能根据网络的当前状态和性能调整路由决策。例如，如果某条路径拥堵或不可用，路由器可能选择另一条路径。
• 到达目的地：
  • 最终，数据包到达其指定的目的地。如果目的地是最终用户设备（如个人计算机），数据包将被相应的应用程序处理。
  • 如果目的地是另一个路由器或网关，数据包可能会继续被转发，直到最终达到其最终目的地。

4 特点：

• 不可靠性：
  • IP 协议被设计为一个不可靠的协议，这意味着它本身不提供数据传输的保证。具体来说，这包括几个方面：
    • 无确认：IP 协议不确认数据包是否已成功到达目的地。一旦数据包从源发送出去，源端不会收到任何关于数据包状态的通知。
    • 无顺序保证：IP 协议不保证数据包按照发送的顺序到达接收端。数据包可能会因为网络拥堵或路由变化而在不同的时间到达。
    • 无完整性保证：在传输过程中，数据包可能会丢失、损坏或重复。IP 协议本身不提供错误检查或纠正机制来处理这些情况。
• 适应性和灵活性：
  • 尽管不可靠，IP 协议却因其适应性和灵活性而成为互联网通信的基础。它能够在各种网络环境中工作，并支持多种类型的数据和应用。
• 高层协议的依赖：
  • 由于 IP 协议本身的简单性和不可靠性，大多数实际应用依赖于更高层协议来提供必要的可靠性、顺序和数据完整性。例如：
    • TCP（传输控制协议）：提供可靠的、面向连接的服务，确保数据按顺序、完整地到达。
    • UDP（用户数据报协议）：虽然也是不可靠的，但在某些应用中（如实时视频流或在线游戏）提供了更快的数据传输。
• 设计理念：
  • IP 协议的这种设计是基于“端到端原则”，即网络核心保持简单，将复杂性和智能放在网络的边缘（即端点设备），从而使网络核心能够处理大量不同类型的流量，并适应快速发展的网络技术和应用。

ICMP 与 IP 数据包的关系

• ICMP 作为 IP 数据包的一部分：
  • ICMP（Internet Control Message Protocol）是 IP（Internet Protocol）的一个重要组成部分。它通常用于报告 IP 数据包在传输过程中遇到的问题或进行网络诊断。
  • ICMP 消息是封装在 IP 数据包内的。这意味着每条 ICMP 消息都是作为一个 IP 数据包被发送和接收的。
• ICMP 用于错误报告和诊断：
  • 当 IP 数据包在传输过程中遇到问题，如无法到达目的地、TTL 超时等情况时，ICMP 用于向发送方报告这些问题。
  • ICMP 也用于网络诊断工具，如 Ping 和 Traceroute，这些工具使用 ICMP 消息来测试网络连接和路径。
• 不直接传输用户数据：
  • 虽然 ICMP 消息是作为 IP 数据包传输的，但它们不用于直接传输应用层数据。相反，它们传输的是关于 IP 数据包传输过程中状态和错误的信息。
• 网络维护和管理的关键角色：
  • 通过提供网络问题的反馈，ICMP 对网络维护和管理起着关键作用。它帮助网络管理员监测网络健康状况，并快速定位和解决问题。
• 与 IP 协议的互补：
  • ICMP 与 IP 协议紧密结合，补充了 IP 的非可靠性。通过报告传输中的错误和提供网络状态信息，ICMP 增强了整个网络的通信效率和可靠性。

网络场景来展示 ICMP 和 IP 数据包的作用

场景描述：

假设在一家公司中，员工突然无法访问外部的互联网服务。网络管理员开始对这个问题进行排查。

使用 ICMP：

1. 初步检测：
   • 网络管理员首先使用 Ping 命令来检测网络连接。Ping 通过发送 ICMP 回显请求到目的地（比如公共网站的 IP 地址），并等待 ICMP 回显应答来测试连通性。
   • 如果 Ping 命令成功，这意味着网络至少在某种程度上是连通的。如果失败，可能表明有更严重的连接问题。
2. 路由跟踪：
   • 如果 Ping 到某些特定目的地失败，管理员可能使用 Traceroute 命令来进一步诊断问题。Traceroute 通过发送一系列 ICMP 数据包来确定到达目的地的路径。
   • 每个发送的数据包的 TTL 值逐渐增加，确保数据包经过更多的跳数。每个路由器在转发前会将数据包的 TTL 值减一，当 TTL 值为零时返回 ICMP 时间超过消息。
3. 问题定位：
   • 通过观察哪个跳数没有返回 ICMP 应答，管理员可以识别网络中故障的位置。

IP 数据包的作用：

1. 数据传输：
   • 在整个诊断过程中，所有的 ICMP 消息都被封装在 IP 数据包中进行传输。
   • IP 数据包的头部包含了重要的路由信息，包括源地址和目的地址，这些信息对于确定数据包的路径至关重要。
2. 网络流量分析：
   • 网络管理员还可能分析 IP 数据包流量来识别是否有异常的流量模式，这可能是网络问题的原因。