<tcp/ip详解卷一>阅读笔记（2）——IP层的分用（ICMP）

这一次将从ip首部中的“协议”字段的分用说开来。前面的图中我们可以看到，所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以ip数据报格式传输。TCP段、UDP数据报文将交付到上一层即应用层，而ICMP及IGMP报文则由tcp/ip协议模块处理，不会支付到用户应用层。

1. ICMP：Internet控制报文协议

ICMP报文是在ip数据报内部被传输的，除去ip首部，其基本格式如下：

有些icmp报文用于查询，有些icmp报文用于差错报告，各种类型的icmp报文如下图所示：

对ICMP差错报文和ICMP查询报文的处理不同，在对ICMP差错报文进行响应时，永远不会生成另一份ICMP差错报文。当发送一份ICMP差错报文时，报文始终包含IP的首部和产生ICMP差错报文的IP数据报的前8个字节，这样，接收ICMP差错报文的模块就会把它与某个特定的协议（根据IP数据报首部中的协议字段来判断）和用户进程（根据包含在IP数据报前8个字节中的TCP或者UDP首部中的TCP或UDP端口号来判断）。

下面各种情况都不会导致产生ICMP差错报文：

(1)ICMP差错报文（但是ICMP查询报文可能会产生ICMP差错报文）

(2)目的地址是广播地址或多地址或多播地址的IP数据报

(3)作为链路层广播的数据报

(4)不是IP分片的第一片

(5)源地址不是单个主机的数据报

 

2. ICMP查询报文

列表中提到的查询报文，包括回显应答/请求、路由器通告/请求、时间戳请求/应答和地址掩码请求/应答，《tcp/ip...》这本书基本都作了介绍。

首先是子网掩码请求/应答报文，它用于无盘系统在引导过程中获取自己的子网掩码。系统广播它的ICMP请求报文，其格式如下：

ICMP报文中的标识符和序列号字段由发送端任意选择设定，这些值在应答中将被返回，这样发送端就可以把应答与请求进行匹配。

ICMP时间戳请求允许系统向另一个系统查询当前的时间。返回的建议值是自午夜开始计算的毫秒数，协调的统一时间（Coordinated Universal Time, UTC），它提供了毫秒级的分辨率，其报文格式如下：

请求端填写发起时间戳，应答系统收到请求报文时填写接收时间戳，在发送应答时填写发送时间戳。其中各项在时间线上的位置如下：

回显请求/应答即我们平时使用的ping程序使用的报文。ping的目的是为了测试另一台主机是否可达，该程序发送一份ICMP回显请求报文给主机，并等待返回ICMP回显应答。大多数的TCP/IP实现都在内核中直接支持ping服务器（因此也可以设置为关闭该服务器），ICMP回显请求/应答报文的格式如下：

前面我们提到过IP选项中有一个记录路由选项，ping程序通过加-r指令可以在ip数据报的首部加入记录路由选项，这样，每个处理该数据报的路由器都把它的ip地址放入选项字段中，当数据报到达目的端时，ip地址清单应该复制到ICMP回显应答中，这样返回途中所经过的路由器地址也被加入清单中。但是，ip报文的首部只有40个字节的空间来存放RR选项，RR选项的一般格式如下：

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，len是RR选项总字节长度，在这种情况下为39，ptr称作指针字段，它是一个基于1的指针，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最大到36.当记录下9个IP地址后，ptr的值为40，表示清单已满。

除了可以在ping发送的ICMP回显报文的IP首部中加入RR选项外，也可以加入IP时间戳选项，格式与上面差不多，只不过多了一个用于描述溢出字段和标志字段。

 

还有最后一种ICMP查询报文，即路由器通告/回显报文，它用于IP选路。选路是IP最重要的功能之一。前面我们有提到过IP路由选择时搜索路由表的几个步骤（这是选路机制）：

(1)搜索匹配的主机地址

(2)搜索匹配的网络地址

(3)搜索默认表项。

下图描述了IP层处理过程的简单流程：

系统通过三种途径改变路由表的表项，一个是route命令，由管理员手动配置路由，一个是ICMP重定向报文，这是一种只能由路由器生成的ICMP差错报文，最后一个则是路由守护程序，路由守护程序是一个应用程序，它通过发送ICMP路由器请求报文，接收ICMP路由器通告报文来获知相邻的网络情况。ICMP路由器请求报文、路由器通告报文的格式如下：

路由器通告报文中，地址数字段说明该报文中共包含多少个路由器地址，地址项长度是指每个路由器地址32bit字的数目，在ipv4中始终为2，生存时间字段指的是通告地址有效时间（以秒为单位）。

开始的时候我一直在想，路由器请求/通告报文跟RIP到底是什么关系呢？后来仔细看了几遍书中关于它的介绍，猜测觉着，路由器请求/通告报文是同一子网中主机与路由器之间的通信（而RIP是路由器与路由器之间的通信），这个通信过程由应用层的路由守护进程完成，“它只增加或删除默认表项。守护程序必须把它配置成一台路由器或主机来使用”，因为路由器跟主机的操作是不一样的，路由器启动后负责发送路由器通告并监听来自主机的路由器请求；而主机启动后则发送路由器请求，并监听来自路由器的路由器通告。

 

3. 动态选路协议

当相邻的路由器之间进行通信，以告知对方每个路由器当前所连接的网络，这时就出现了动态选路。路由器之间必须采用选路协议进行通信，这样的协议有很多种，如RIP、OSPF，路由守护进程运行选路协议，并与其相邻的一些路由器进行通信。路由守护程序将选路策略加入到系统中，选择路由并加入到内核的路由表中。如果守护程序发现前往同一信宿存在多条路由，那么它将（以某种方法）选择最佳路由并加入内核路由表中。如果路由守护程序发现一条链路已经断开，它可以删除受影响的路由或加入另一条路由以绕过该问题。

在像Internet这样的系统中，目前采用了许多不同的选路协议。Internet是以一组自治系统的方式组织的，每个自治系统通常由单个实体管理。常常将一个公司或大学校园定义为一个自治系统。每个自治系统可以选择该自治系统中各个路由器之间的选路协议，这种协议称之为内部网关协议（IGP），常用的IGP有RIP和OSPF。不同自治系统的路由器之间进行通信协议称为外部网关协议（BGP）。

《tcp/ip》这本书对相应的算法并没有详细的描述，我打算之后重新看回本科的《计算机网络》再做一下总结。

 

4. ICMP差错报文

ICMP报文列表中列出了多种ICMP差错报文，这本书只介绍了其中的一些。

首先是ICMP不可达报文，其格式如下：

对于ICMP端口不可达差错（代码为3），接收该差错报文的系统通过读取ICMP报文内容中的差错IP报文首部，从而知道如何解释报文首部后面的8个字节（是TCP还是UDP？），通过解释后面的8个字节（目的端口号和源端口号），将知道该差错是由哪个应用进程（源端口号）引起的，是哪个目的端口不可达。

前面我们看到，每个路由器或主机中都会有一张路由表，路由表里面一般都有一个默认选项，在找不到主机或网络号匹配的下一站路由器时，路由机制都会选择其默认网关。顶层选路域维护大多数Internet网站的信息，而不使用默认路由，当路由器收到一份IP数据报但又不能转发时（没有默认路由），就要发送一份“ICMP主机不可达”差错报文（代码为1）给发送该IP报文的主机。

ICMP “超时”报文的格式与ICMP不可达报文的格式基本一致，除了类型值与代码值不同外。当路由器收到一份IP数据报，如果其TTL值字段是0或1，则路由器不转发该数据报（接收到这种数据报的目的主机可以将它交给应用程序，因为主机不需要转发该数据报，但是通常情况下，系统不应该接收TTL值为0的数据报）。路由器将该数据报丢弃，并给信源机发送一份ICMP超时报文。

ICMP超时+ICMP端口不可达+TTL是traceroute程序的工作原理。traceroute程序发送一份TTL字段为1的IP数据报文给目的主机，处理这份数据报的第一个路由器将其TTL值减1，丢弃该数据报，并发回一份ICMP超时报文，通过报文中的信源地址我们将得到该路由器的地址；接着，traceroute发送一份TTL值为2的IP数据报文给目的主机，这样，第二个路由器将发回一份ICMP超时报文，....，直到最后该报文到达目的主机并被接收，那么如何判断报文已经到达目的主机了呢？traceroute将选择一个不可能的值作为目的端口号（大于30000），使目的主机的任何一个应用程序都不可能使用该端口，这样，目的主机收到该报文时，将产生一份“ICMP端口不可达”报文给，这样，当traceroute收到的ICMP报文是“目的端口不可达”时，可以判断已经完成了整个traceroute的过程。记得IP首部中的“选项”部分还可以设置“严格的源站选路”和“宽松的源站选路”选项，可以在traceroute发送的IP数据报首部中加入该选项，来规划traceroute的路径。

书中还介绍了ICMP重定向差错报文。当IP数据报应该被发送到另一个路由器上时，收到数据报的路由器（发现出接口等于入接口）就要发送ICMP重定向差错报文给IP数据报的发送端，我们在之前的IP层处理过程，还有另一个可以修改路由表的源，就是ICMP重定向差错报文，其格式如下：

 

ICMP重定向接收者必须查看三个IP地址：(1)导致重定向的IP地址（即ICMP重定向报文的数据中产生差错的数据报IP首部）；(2)发送重定向报文的路由器（包含重定向信息的IP数据报的源地址）；(3)应该采用的路由器IP地址（在ICMP数据报文中）。

关于ICMP重定向报文有很多规则。首先，重定向报文只能由路由器生成；另外，重定向报文是为主机而不是为路由器使用的。

 

这一次总结了IP数据报的分用中的一个协议，即ICMP协议，包括查询报文和差错报文，并介绍了利用这些报文的一些程序，包括ping和traceroute的原理。对于动态选路，我觉得相关算法可以等以后再做详细总结。