协议森林06 瑞士军刀 (ICMP协议)

ICMP协议

ICMP(Internet Control Message Protocol)是介于网络层和传输层的协议。它的主要功能是传输网络诊断信息。

ICMP传输的信息可以分为两类，一类是错误(error)信息，这一类信息可用来诊断网络故障。我们已经知道，IP协议的工作方式是“Best Effort”，如果IP包没有被传送到目的地，或者IP包发生错误，IP协议本身不会做进一步的努力。但上游发送IP包的主机和接力的路由器并不知道下游发生了错误和故障，它们可能继续发送IP包。通过ICMP包，下游的路由器和主机可以将错误信息汇报给上游，从而让上游的路由器和主机进行调整。需要注意的是，ICMP只提供特定类型的错误汇报，它不能帮助IP协议成为“可靠”(reliable)的协议。另一类信息是咨询(Informational)性质的，比如某台计算机询问路径上的每个路由器都是谁，然后各个路由器同样用ICMP包回答。

(ICMP基于IP协议。也就是说，一个ICMP包需要封装在IP包中，然后在互联网传送。ICMP是IP套装的必须部分，也就是说，任何一个支持IP协议的计算机，都要同时实现ICMP。)

ICMP包的结构：

A bunch of Types

ICMP包都会有Type, Code和Checksum三部分。Type表示ICMP包的大的类型，而Code是一个Type之内细分的小类型。针对不同的错误信息或者咨询信息，会有不同的Type和Code。从上面我们可以看到，ICMP支持的类型非常多，就好像瑞士军刀一样，有各种各样的功能。Checksum与IP协议的header checksum相类似，但与IP协议中checksum只校验头部不同，这里的Checksum所校验的是整个ICMP包(包括头部和数据)。

余下的ICMP包格式根据不同的类型不同。另一方面，ICMP包通常是由某个IP包触发的。这个触发IP包的头部和一部份数据会被包含在ICMP包的数据部分。

ICMP协议是实现ping命令和traceroute命令的基础。这两个工具常用于网络排错。

常见的ICMP包类型

回音

回音(Echo)属于咨询信息。ping命令就是利用了该类型的ICMP包。当使用ping命令的时候，将向目标主机发送Echo-询问类型的ICMP包，而目标主机在接收到该ICMP包之后，会回复Echo-回答类型的ICMP包，并将询问ICMP包包含在数据部分。ping命令是我们进行网络排查的一个重要工具。如果一个IP地址可以通过ping命令收到回复，那么其他的网络协议通信方式也很有可能成功。

源头冷却

源头冷却(source quench)属于错误信息。如果某个主机快速的向目的地传送数据，而目的地主机没有匹配的处理能力，目的地主机可以向出发主机发出该类型的ICMP包，提醒出发主机放慢发送速度(请温柔一点吧)。

目的地无法到达

目的地无法到达(Destination Unreachable)属于错误信息。如果一个路由器接收到一个没办法进一步接力的IP包，它会向出发主机发送该类型的ICMP包。比如当IP包到达最后一个路由器，路由器发现目的地主机down机，就会向出发主机发送目的地无法到达(Destination Unreachable)类型的ICMP包。目的地无法到达还可能有其他的原因，比如不存在接力路径，比如不被接收的端口号等等。

超时

超时(Time Exceeded)属于错误信息。IPv4中的Time to Live(TTL)和IPv6中的Hop Limit会随着经过的路由器而递减，当这个区域值减为0时，就认为该IP包超时(Time Exceeded)。Time Exceeded就是TTL减为0时的路由器发给出发主机的ICMP包，通知它发生了超时错误。

traceroute就利用了这种类型的ICMP包。traceroute命令用来发现IP接力路径(route)上的各个路由器。它向目的地发送IP包，第一次的时候，将TTL设置为1，引发第一个路由器的Time Exceeded错误。这样，第一个路由器回复ICMP包，从而让出发主机知道途径的第一个路由器的信息。随后TTL被设置为2、3、4，...，直到到达目的主机。这样，沿途的每个路由器都会向出发主机发送ICMP包来汇报错误。traceroute将ICMP包的信息打印在屏幕上，就是接力路径的信息了。

重新定向

重新定向(redirect)属于错误信息。当一个路由器收到一个IP包，对照其routing table，发现自己不应该收到该IP包，它会向出发主机发送重新定向类型的ICMP，提醒出发主机修改自己的routing table。比如下面的网络：

假如145.1发送到145.15的IP包，结果被中间的路由器通过145.17的NIC收到。那么路由器会发现，根据自己的routing table，这个IP包要原路返回。那么router就可以判断出145.1的routing table可能有问题。所以路由器会向145.1发送redirect类型的ICMP包。

IPv6的Neighbor Discovery

ARP协议用于发现周边的IP地址和MAC地址的对应。然而，ARP协议只用于IPv4，IPv6并不使用ARP协议。IPv6包通过邻居探索(ND, Neighbor Discovery)来实现ARP的功能。ND的工作方式与ARP类似，但它基于ICMP协议。ICMP包有Neighbor Solicitation和Neighbor Advertisement类型。这两个类型分别对应ARP协议的询问和回复信息。

总结

ICMP协议是IP协议的排错帮手，它可以帮助人们及时发现IP通信中出现的故障。基于ICMP的ping和traceroute也构成了重要的网络诊断工具。然而，需要注意的是，尽管ICMP的设计是出于好的意图，但ICMP却经常被黑客借用进行网络攻击，比如利用伪造的IP包引发大量的ICMP回复，并将这些ICMP包导向受害主机，从而形成DoS攻击。而redirect类型的ICMP包可以引起某个主机更改自己的routing table，所以也被用作攻击工具。许多站点选择忽视某些类型的ICMP包来提高自身的安全性。