TCP/IP 详解(卷一) Ping程序

“ping”这个名字源于声纳定位操作。Ping程序由Mike Muuss编写,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。

Ping程序

我们称发送回显请求的ping程序为客户,而称被ping的主机为服务器。大多数的TCP/IP实现都在内核中直接支持Ping服务器—这种服务器不是一个用户进程(两种ICMP查询服务,地址掩码和时间戳请求,也都是直接在内核中进行处理的)。 ICMP回显请求和回显应答报文如下:

对于其他类型的ICMP查询报文,服务器必须响应标识符和序列号字段。另外,客户发送的选项数据必须回显,假设客户对这些信息都会感兴趣。

Unix系统在实现ping程序时是把ICMP报文中的标识符字段置成发送进程的ID号。这样即使在同一台主机上同时运行了多个ping程序实例,ping程序也可以识别出返回的信息。

序列号从0开始,每发送一次新的回显请求就加1。ping程序打印出返回的每个分组的序列号,允许我们查看是否有分组丢失、失序或重复。IP是一种最好的数据报传递服务,因此这三个条件都有可能发生。

旧版本的ping程序曾经以这种模式运行,即每秒发送一个回显请求,并打印出返回的每个回显应答。但是,新版本的实现需要加上-s选项才能以这种模式运行。默认情况下,新版本的ping程序只发送一个回显请求。如果收到回显应答,则输出“host is alive”;否则,在20秒内没有收到应答就输出“no answer(没有回答)”。

LAN 输出

在局域网上运行ping程序的结果输出一般有如下格式:

bsdi % ping svr4
PING svr4 (140.252.13.34): 56 data bytes
64 bytes from 140.252.13.34: icmp_seq=0 ttl=255 time=0 ms
64 bytes from 140.252.13.34: icmp_seq=l ttl=255 time=0 ms
64 bytes from 140.252.13.34: icmp_seq=2 ttl=255 time=0 ms
64 bytes from 140.252.13.34: icmp_seq=3 ttl=255 time=0 ms
64 bytes from 140.252.13.34: icmp_seq=4 ttl=255 time=0 ms
64 bytes from 140.252.13.34: icmp_seq=5 ttl=255 time=0 ms
64 bytes from 140.252.13.34: icmp_seq=6 ttl=255 time=0 ms
64 bytes from 140.252.13.34: icmp_seq=7 ttl=255 time=0 ms
^? type interrupt key to stop
--- svr4 ping statistics ---
8 packets transmitted, 8 packets received, 0% packet loss
round-trip min/avg/max = 0/0/0 ms

当返回ICMP回显应答时,要打印出序列号和TTL,并计算往返时间(TTL位于IP首部中的生存时间字段。当前的BSD系统中的ping程序每次收到回显应答时都打印出收到的TTL—有些系统并不这样做)。

从上面的输出中可以看出,回显应答是以发送的次序返回的(0,1,2等)。

ping程序通过在ICMP报文数据中存放发送请求的时间值来计算往返时间。当应答返回时,用当前时间减去存放在ICMP报文中的时间值,即是往返时间。

输出的第一行包括目的主机的IP地址,尽管指定的是它的名字(svr4)。这说明名字已经经过解析器被转换成IP地址了。现在,我们发现,如果敲入ping命令,几秒钟过后会在第1行打印出IP地址,DNS就是利用这段时间来确定主机名所对应的IP地址。

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。在发送第一个回显请求之前要发送一个ARP请求并接收ARP应答,这需要花费几毫秒的时间。

IP 记录路由选项

ping程序为我们提供了查看IP记录路由(RR)选项的机会。大多数不同版本的ping程序都提供-R选项,以提供记录路由的功能。它使得ping程序在发送出去的IP数据报中设置IPRR选项(该IP数据报包含ICMP回显请求报文)。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。当ping程序收到回显应答时,它就打印出这份IP地址清单。

这个过程听起来简单,但存在一些缺陷。源端主机生成RR选项,中间路由器对RR选项的处理,以及把ICMP回显请求中的RR清单复制到ICMP回显应答中,所有这些都是选项功能。幸运的是,现在的大多数系统都支持这些选项功能,只是有一些系统不把ICMP请求中的IP清单复制到ICMP应答中。

但是,最大的问题是IP首部中只有有限的空间来存放IP地址。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32bit长的字(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(下面我们再讨论),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。对于早期的ARPANET来说,9个IP地址似乎是很多了,但是现在看来是非常有限的(在第8章中,我们将用Traceroute工具来确定数据报的路由)。除了这些缺点,记录路由选项工作得很好,为详细查看如何处理IP选项提供了一个机会。

IP数据报中的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(尽管可以为RR选项设置比最大长度小的长度,但是ping程序总是提供39字节的选项字段,最多可以记录9个IP地址。由于IP首部中留给选项的空间有限,它一般情况都设置成最大长度)。

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8,12,16,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。

当路由器(根据定义应该是多穴的)在清单中记录IP地址时,它应该记录哪个地址呢?是入口地址还是出口地址?为此,RFC 791[Postel 1981a]指定路由器记录出口IP地址。我们在后面将看到,当原始主机(运行ping程序的主机)收到带有RR选项的ICMP回显应答时,它也要把它的入口IP地址放入清单中。

IP 时间戳选项

IP时间戳选项与记录路由选项类似。IP时间戳选项的格式如下:

时间戳选项的代码为0x44。其他两个字段len和ptr与记录路由选项相同:选项的总长度(一般为36或40)和指向下一个可用空间的指针(5,9,13等)。

接下来的两个字段是4bit的值:OF表示溢出字段,FL表示标志字段。时间戳选项的操作根据标志字段来进行,如下所示。

标志 描述
0 只记录时间戳
1 每台路由器都记录它的IP地址和时间戳。在选项列表中只有存放4对地址和时间戳的空间
2 发送端对选项列表进行初始化,存放了4个IP地址和4个取值为0的时间戳值。只有当列表中的下一个IP地址与当前路由器地址相匹配时,才记录它的时间戳

如果路由器由于没有空间而不能增加时间戳选项,那么它将增加溢出字段的值。

时间戳的取值一般为自UTC午夜开始计的毫秒数,与ICMP时间戳请求和应答相类似。如果路由器不使用这种格式,它就可以插入任何它使用的时间表示格式,但是必须打开时间戳中的高位以表明为非标准值。

与我们遇到的记录路由选项所受到的限制相比,时间戳选项遇到情况要更坏一些。如果我们要同时记录IP地址和时间戳(标志位为1),那么就可以同时存入其中的四对值。只记录时间戳是没有用处的,因为我们没有标明时间戳与路由器之间的对应关系(除非有一个永远不变的拓扑结构)。标志值取3会更好一些,因为我们可以插入时间戳的路由器。一个更为基本的问题是,很可能无法控制任何给定路由器上时间戳的正确性。这使得试图用IP选项来计算路由器之间的跳站数是徒劳的。我们将看到traceroute程序可以提供一种更好的方法来计算路由器之间的跳站数。

Contents

0