TCP/IP协议学习之实例ping命令学习笔记

TCP/IP协议学习之实例ping命令学习笔记（一）

一． 目的
为了让网络协议学习更有效果，在真实网络上进行ping命令前相关知识的学习，暂时不管DNS，在内网中，进行2台主机间的ping命令的整个详细过程的深入研究。包括的知识点有：ping,ICMP,IP,协议系统,ARP.包含的章节有第1，3，4，6，7章。

二． 实践环境
1. 网络环境

2. 协议分析工具
Ethereal工具。在本机上安装并进行抓包观察。
三． 工具设置
由于Ethereal工具在进行网络监视时，会抓取来自其他机器的数据包，为了清楚的看到本机和远程机之间的数据包交流，需要设置下ethereal。过程如下：
1. 选择正确的网卡接口，下面的IP address出现正确的IP地址即可。如下图：
 
注：每次打开该软件后，都需要再一次设置网卡接口。
2. 设置好捕捉过滤器（Capture Fileter），只捕捉我们想要的数据包，需要观察IP地址远程机和本机之间的数据交流，并保存好过滤条件，如下图：
 
 
四． 抓包
1. 设置好Captrue Fileter后，点击开始录制按钮。
2. 进入本机的DOS环境下，执行命令：ping 10.13.0.5。
3. 等到ping命令结束时，点击Ethereal的停止抓包按钮。
4. ping命令的显示结果和Ethereal上捕捉数据分别如下面的图所示。
 
 
说明：为了能抓到ARP协议的包，在本机DOS中先运行arp –d 清除arp缓存。

五．过程分析
1. 理解TCP/IP协议层结构
这里省略，参考另一篇学习日志：看图熟记TCP/IP协议系统
2. 过程
分析一下上述例子中数据的传输步骤：
1）ARP协议层，查找远程机的MAC地址。
2）ICMP协议层，执行ping命令过程

参考资料：http://www.cnpaf.net/forum/archiver/tid-3060.html
http://blog.csdn.net/lichengiggs/archive/2006/04/19/669444.aspx
http://network.ccidnet.com/art/1084/20070615/1113987_1.html
http://publish.it168.com/2005/0831/20050831015601.shtml
http://www.cnpaf.net/class/OtherAnalysis/0532918532942694.html

前文请看：TCP/IP协议学习之实例ping命令学习笔记（一）

六．实例分析+学习过程

1.ARP协议的学习
《TCP/IP协议详解》中包含的章节有第1，2，4章。
学习方法：从上面实例的观察中提出问题（Q），先在TCP/IP协议详解书中寻找答案，如果答案还不够详细，再从网上寻找答案。得到答案后，简短的写出答案（A）。在寻找答案中，可以对不懂的地方再次提出问题（Q），然后一样的过程寻找答案（A），如此反复进行。网上查找到的资料将会在问答（QA）的后面被记录下链接地址。书上查找到的资料位置不记录。

Q：什么是ARP协议？
A：ARP（Address Resolution Protocol）是指地址解析协议，为IP地址到对应的硬件地址之间提供动态映射，将网络中的协议地址（当前网络中大多是IP地址）解析为本地的硬件地址（MAC地址）

Q：IP地址是什么？MAC地址又是什么？
A：IP地址：也可以称为互联网地址或Internet地址。是用来唯一标识互联网上计算机的逻辑地址。每台连网计算机都依靠IP地址来标识自己。
MAC（Media Access Control, 介质访问控制）地址是识别LAN（局域网）节点的标识。网卡的物理地址通常是由网卡生产厂家烧入网卡的EPROM（一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写），在网络底层的物理传输过程中，是通过物理地址来识别主机的，它一般也是全球唯一的。
参考资料：http://wlzx.ncu.edu.cn/yhfw/jczs/ip2.htm
http://baike.baidu.com/view/69334.htm

Q：如何查看本机和远程机的网卡的MAC地址是多少？
A：在windows下，在DOS下运行命令：ipconfig \all.即可看到网络连接详细信息。如下图所示，本机的MAC地址是00-19-D1-22-8F-9A

而在HP-UX系统下，以太网的地址被典型的称为lan0。通过键入lanscan并查看返回信息就可以得到MAC地址。如下所示：
#lanscan
Hardware Station        Crd Hdw   Net-Interface  NM  MAC       HP-DLPI DLPI
Path     Address        In# State NamePPA        ID  Type      Support Mjr#
0/0/0/0  0x00306E08CE8A 0   UP    lan0 snap0     1   ETHER     Yes     119
HP系统中，默认是去掉了MAC地址各个字段的分割符“：”。在上面的例子中，这台机器的实际MAC地址应该为：00:30:6E:08:CE:8A。
再和上个实例中捕捉到的MAC地址相比较，将会发现是一致的。如下图：

参考资料：http://www.itpub.net/118118.html

Q：10.13.0.5属于哪类IP地址？为什么和上家公司使用内网IP地址（192.168.0.5）不一样？
A：现在的IP网络使用32位地址，以点分十进制表示。IP地址=网络地址＋主机地址 或 IP地址=主机地址＋子网地址＋主机地址。同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络ID，网络上的一个主机（包括网络上工作站，服务器和路由器等）有一个主机ID与其对应。
IP地址根据网络ID的不同分为5种类型，A类地址、B类地址、C类地址、D类地址和E类地址。其中一个A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是“0”， 地址范围从1.0.0.0 到126.0.0.0。一个C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是“110”。范围从192.0.0.0到223.255.255.255。
在IP地址A类和C类型里，各保留了1个区域作为私有地址，其地址范围如下：
A类地址：10.0.0.0～10.255.255.255
C类地址：192.168.0.0～192.168.255.255
所以，10.13.0.5属于A类地址，192.168.0.5属于C类地址。2类私有地址都可以被使用，所以并无本质区别。
参考资料：http://www.99net.net/study/know/52810535.htm

Q：在IP地址类型中，什么是私有地址？
A：私有地址（Private address）属于非注册地址，专门为组织机构内部使用。
所以公司内部使用的内网地址，可以随便分配，但必须是同一类IP地址。
参考资料：http://www.ikaka.com/ip/label.htm

Q：ARP协议属于哪一层？为什么实例中协议工具抓的数据包没有IP协议数据包？
A：属于链路层，而IP协议数据包属于网络层，而网络层在链路层的上面，自然没有IP数据包的产生，而ICMP协议属于网络层，所以有IP数据包。

Q：链路层是什么？有什么作用？
A：链路层，有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡。它们一起处理与电缆（或其他任何传输媒介）的物理接口细节。
在T C P / I P协议族中，链路层主要有三个目的：（1）为I P模块发送和接收I P数据报；（2）为A R P模块发送A R P请求和接收A R P应答；（3）为R A R P发送R A R P请求和接收R A R P应答。
由此可见，该实例中用到了链路层的第二个目的。

Q：为什么在Ping命令过程中需要ARP请求过程，也就是说为什么需要知道远程机的MAC地址？
A：P i n g程序的目的是为了测试另一台主机是否可达。该程序发送一份I C M P回显请求报文给主机，并等待返回I C M P回显应答。在发送过程中，本机把以太网数据帧（包含了ICMP请求）发送到位于同一局域网上的远程机时，是根据48 bit的MAC地址来确定目的接口的，设备驱动程序（网卡的）从不检查I P数据报中的目的I P地址。当使用ping 10.13.0.5命令时，告诉本机系统的只是IP地址，本机系统并不知道对方的MAC地址是多少，内核（如以太网驱动程序）必须知道目的端的MAC地址才能发送数据。所以需要ARP请求得到远程机的MAC地址，才能开始发送ICMP。

Q：ARP请求过程，是如何得到目的主机的MAC地址的？是向网关询问吗？
A：A R P发送一份称作A R P请求的以太网数据帧给以太网上的每个主机。这个过程称作广播。A R P请求数据帧中包含目的主机的I P地址，其意思是“如果你是这个I P地址的拥有者，请回答你的硬件地址。”目的主机的A R P层收到这份广播报文后，识别出这是发送端在寻问它的I P地址，于是发送一个A R P应答。这个A R P应答包含I P地址及对应的硬件地址。
由此看出，是远程机响应了请求，并将自己的MAC地址应答回本机。

前文请看：TCP/IP协议学习之实例ping命令学习笔记（二）

Q：广播是什么原理？广播地址又是什么？这次的实例中，广播地址是多少？
A：一个主机要向网上的所有其他主机发送帧，这就是广播。
主机对由信道传送过来帧的过滤过程：网卡查看由信道传送过来的帧，确定是否接收该帧，若接收后就将它传往设备驱动程序。通常网卡仅接收那些目的地址为网卡物理地址或广播地址的帧。
一共有四种I P广播地址
1.受限的广播：受限的广播地址是255.255.255.255。
2.指向网络的广播：地址是主机号为全1的地址。A类网络广播地址为netid.255.255.255，其中netid为A类网络的网络号。
3.指向子网的广播：主机号为全1且有特定子网号的地址。作为子网直接广播地址的I P地址需要了解子网的掩码。
4.指向所有子网的广播：也需要了解目的网络的子网掩码，以便与指向网络的广播地址区分开。指向所有子网的广播地址的子网号及主机号为全1。
在本实例中，只能看出广播地址的MAC地址是ff:ff:ff:ff:ff:ff，而无法看出IP地址属于哪一种广播地址。待解决。如下图

参考资料：http://www.cnpaf.net/Class/TCPANDIP/0532918532733861.html

Q：ARP请求和应答包的格式什么？包含哪些内容？
A：书中关于ARP格式的如下图所示：

其中：帧类型表示后面数据的类型。硬件类型表示硬件地址的类型。协议类型表示要映射的协议地址类型。硬件地址长度和协议地址长度分别指出硬件地址和协议地址的长度，以字节为单位。op是操作字段，指出四种操作类型：A R P请求（值为1）、A R P应答（值为2）、R A R P请求（值为3）和R A R P应答（值为4）。其他字段很好理解。
从Ethereal工具中分别截取ARP请求和应答包内容，如下图：

和ARP格式图示相比较：
以太网首部：以太网目的地址是广播地址（全1），以太网源地址是本机的MAC地址，帧类型是ARP的标志值0x0806。
28字节ARP请求/应答：硬件类型是以太网标志值0001，协议类型是I P地址标志值0800，硬件地址长度是6，协议地址长度是4，操作字段是ARP请求标志值0001，发送端以太网地址是本机的MAC地址，发送段IP地址是本机的IP地址（176），目标以太网地址还没有获取到，所以为全0，目标IP地址是远程机的IP地址（5）。

和ARP格式图示相比较：
以太网首部：以太网目的地址是本机的MAC地址，以太网源地址是远程机的MAC地址，帧类型是ARP的标志值0x0806。Trailer是什么？待解决。
28字节ARP请求/应答：硬件类型是以太网标志值0001，协议类型是I P地址标志值0800，硬件地址长度是6，协议地址长度是4，操作字段是ARP应答标志值0002（与ARP请求区别开来），发送端以太网地址是远程机的MAC地址，发送端IP地址是远程机的IP地址（5），目标以太网地址是本机的MAC地址，目标IP地址是本机的IP地址（176）。
由此看来，ARP请求和应答包非常相似，标志性的区别在操作字段的不同。

Q：为什么需要在本机DOS中先运行arp –d 清除arp缓存，才能抓到ARP协议包？
A： A R P高效运行的关键是由于每个主机上都有一个A R P高速缓存。这个高速缓存存放了最近I n t e r n e t地址到硬件地址之间的映射记录。高速缓存中每一项的生存时间一般为2 0分钟，起始时间从被创建时开始算起。可以用a r p命令来检查ARP高速缓存。参数-a的意思是显示高速缓存中所有的内容，如下图所示：其中包括了远程机（5）的MAC映射记录。

一般情况下，当系统收到A R P请求或发送A R P应答时，都要把请求端的硬件地址和I P地址存入A R P高速缓存。在获取目标机的MAC地址时，会先从ARP高速缓冲中查找是否存在，如果存在，则可以不用进行ARP请求过程。为了确保可以抓到ARP的请求数据包，因此，先用命令arp –d清除掉本地的MAC地址映射。

前文请看：TCP/IP协议学习之实例ping命令学习笔记（三）

2.ICMP协议的学习
《TCP/IP协议详解》中包含的章节有第6、7章。
学习方法：从上面实例的观察中提出问题（Q），先在TCP/IP协议详解书中寻找答案，如果答案还不够详细，再从网上寻找答案。得到答案后，简短的写出答案（A）。在寻找答案中，可以对不懂的地方再次提出问题（Q），然后一样的过程寻找答案（A），如此反复进行。网上查找到的资料将会在问答（QA）的后面被记录下链接地址。书上查找到的资料位置不记录。

Q：什么是ICMP协议？属于哪一层？
A：ICMP（Internet Control Message Protocal）是指Internet控制报文协议，用于在IP主机、路由器之间传递控制消息。控制消息是指网络通不通、主机是否可达、路由是否可用等网络本身的状态信息。
I C M P经常被认为是IP层（也就是指网络层）的一个组成部分。ICMP报文通常被I P层或更高层协议（TCP或UDP）使用（在本实例中是在IP层使用）。一些ICMP报文把差错报文返回给用户进程（在本实例中的用户进程是指ping进程）。ICMP报文是在IP数据报内部被传输的。如下图所示：

和Ethereal中捕捉到的ICMP数据进行比较，其中包含了IP首部和ICMP报文，如下图所示：

Q：ICMP报文的格式是什么？
A：如下图所示：

所有报文的前4个字节都是一样的，但是剩下的其他字节则互不相同。类型字段可以有1 5个不同的值，以描述特定类型的I C M P报文。某些ICMP报文还使用代码字段的值来进一步描述不同的条件。检验和字段覆盖整个ICMP报文。

Q：ICMP报文有哪些类型？ping所使用的是其中哪种？
A：共有18种类型字段，每种类型字段对应多个代码字段，所以，不同ICMP类型由报文中的类型字段和代码字段来共同决定。每种ICMP类型属于2种报文性质中的其中一种：查询报文和差错报文，具体见TCP/IP协议详解中的图6-3。
Ping请求和应答的ICMP报文类型是不同的：
Ping请求所使用的类型字段=8，代码字段=0，对应的类型名为请求回显，属于查询报文。
Ping应答所使用的类型字段=0，代码字段=0，对应的类型名为回显应答，属于查询报文。

Q：ping命令的请求ICMP报文格式是什么？应答ICMP报文格式又是什么？
A：ping命令的ICMP请求和应答报文格式如下图所示：
 
类型、代码、检验和在前面的问答已经得到解释。
标识符：U n i x系统在实现p i n g程序时是把I C M P报文中的标识符字段置成发送进程的I D号。这样即使在同一台主机上同时运行了多个p i n g程序实例， p i n g程序也可以识别出返回的信息。（那windows系统下呢？是否也是进程ID号？待解决）
序号：序列号从0开始，每发送一次新的回显请求就加1（在本实例中，共发送了4次请求，但是序列号分别是3200、3300、3400、3500，和书中所说的不一致？在ping参数中并没有设置序列号这种功能的选项，所以第一个序列号可能是随机产生的，待解决）。p i n g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。
选项数据：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。也就说，应答和请求的选项数据是一样的。（那么选项数据是如何被定制的？在ping参数中同样没有设置选项数据这种功能的选项，所以可能是DOS下默认发送的数据，待解决。）
Ethereal工具捕捉到的ICMP第一次的请求报文数据，如下图所示：

 

和上面所说的ICMP请求报文相比较：
类型=8，代码=0，检验和=175c，标识符=0400，序列号=3200，
选项数据=abcdefghijklmnopqrstuvwabcdefghi（第二个图的蓝色背景部分）.
观察后面的3次请求，它们的标识符都是0400，序列号是递增的，选项数据都是一样的。

Ethereal工具捕捉到的ICMP第一次的应答报文数据，如下图所示：

 

和上面所说的ICMP应答报文相比较：
类型=0，代码=0，检验和=1f5c，标识符=0400，序列号=3200，
选项数据=abcdefghijklmnopqrstuvwabcdefghi（第二个图的蓝色背景部分）
和对应的第一次请求报文比较，除了类型字段和检验和字段不一样，其他字段都相同。

前文请看：TCP/IP协议学习之实例ping命令学习笔记（四）

Q：IP首部的报文格式是什么？
A：IP数据报文如下图所示：
 
其中的数据字段就是ICMP数据报文。前20个字节是IP首部。和前面所提到过的IP数据报文是一致的。
版本：目前的协议版本号是4，因此I P有时也称作IPv4。
首部长度：指的是首部占32 bit字的数目，包括任何选项。由于它是一个4比特字段，因此首部最长为6 0个字节。普通I P数据报（没有任何选择项）字段的值是5（从图中可看出首部一共5行）。
服务类型（TOS）：包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略），4 bit的TO S子字段和1 bit未用位但必须置0。4 bit的TO S分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均为0，那么就意味着是一般服务。在书中的图3 - 2列出了对不同应用建议的TO S值，具体可以查阅，在本实例中，ICMP查询对应的TOS值是0000，属于一般服务。
总长度（字节数）：指整个I P数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段，就可以知道I P数据报中数据内容的起始位置和长度。
标识：唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加1。（该字段和数据报的分片有关，这里暂时不展开）
标志：（同样，和数据报的分片有关，这里暂时不介绍）
片偏移：（同样，和数据报的分片有关，这里暂时不介绍）
生存时间(TTL)：设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间。T T L的初始值由源主机设置（通常为3 2或6 4），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值为0时，数据报就被丢弃，并发送I C M P报文通知源主机。
协议：被I P层用来对数据报进行分用，根据这个字段可以识别是哪个协议向I P传送数据。本实例中，是ICMP协议。
首部检验和：是根据I P首部计算的检验和码。它不对首部后面的数据进行计算。也就是说，在本实例中，不包含ICMP报文的检验，因为ICMP报文有自己的检验和字段。
源IP地址：本机或远程机的IP地址。
目的IP地址：本机或远程机的IP地址。
选项（如果有）：是数据报中的一个可变长的可选信息。这些选项很少被使用，并非所有的主机和路由器都支持这些选项。在本实例中，IP数据报文是没有该字段的。
在Ethereal中捕捉的第一个ICMP请求的IP数据报首部如下图所示：

和上面所说的IP首部进行比较：
版本=4，首部长度=20（这里的单位是字节，和书中说的单位是32bit不一致，5个32bit是等于20个字节,但为什么不一样?待解决），服务类型=00，总长度=60，标识=3b7c(和后面的来回7个首部比较该字段，每个都不相同)，标志=00，片偏移=0，TTL=128（应该是默认值，后面3个请求的该字段都是128，但应答包的该字段不一样，是255），协议=ICMP（01），首部检验和=ea76,源IP地址=10.13.0.5（本机IP），目的IP地址=10.13.0.5（远程机IP），无选项。
在Ethereal中捕捉的第一个ICMP应答的IP数据报首部如下图所示：

和上面所说的IP首部进行比较：
版本=4，首部长度=20，服务类型=00，总长度=60，标识=6105，标志=04（注意，和请求的IP数据报中的不一样），片偏移=0，TTL=255，协议=ICMP（01），首部检验和=05ed,源IP地址=10.13.0.5(远程IP），目的IP地址=10.13.0.176（本机IP），无选项。
本实例中，请求和应答的IP数据报基本相似，在IP首部并不区别是ICMP请求还是ICMP应答。

Q：什么是数据报分用？
A：当目的主机收到一个以太网数据帧时，数据就开始从协议栈中由底向上升，同时去掉各层协议加上的报文首部。每层协议盒都要去检查报文首部中的协议标识，以确定接收数据的上层协议。这个过程称作分用（Demult iplexing），书中的图1-8显示了该过程是如何发生的。具体请查阅该章内容。在我另一篇学习日志中也有这张图片。

前文请看：TCP/IP协议学习之实例ping命令学习笔记（五）

Q：除了ping命令使用外，什么情况下会使用到ICMP协议？
A：从书中的图6-3 ICMP报文类型中，可以看出相关的章节有：
第六章的3、4、5节：ICMP地址掩码请求与应答；ICMP时间戳请求与应答；ICMP瑞口不可达差错
第七章：Ping程序
第八章：Traceroute程序
第九章的3、5、6节：IP选路。ICMP主机与网络不可达差错；ICMP重定向差错；ICMP路由器发现报文
第十一章的5、6、11节：UDP。IP分片；ICMP不可达差错（需要分片）；ICMP源站抑制差错。

Q: 在本机DOS下显示的ping的输出结果都表示什么意思?
A: 如下图所示:

1. 每次发送32字节的数据,和Ethereal工具捕捉到的ICMP数据报中的data字段大小一致,都是32字节
2. 只显示ICMP返回的4次应答，并且打印出每次应答的data大小(都是32)和T T L(都是255,和Ethereal捕捉到的ICMP应答的IP首部TTL字段值一样)，并计算往返时间time(都小于1ms).
3. 共发送了4个ICMP请求,收到4个ICMP应答,无数据报丢失
4. ping程序通过在I C M P报文数据中存放发送请求的时间值(ICMP数据报格式中并没有这个时间值字段,怎么回事?)来计算往返时间。当应答返回时，用当前时间减去存放在I C M P报文中的时间值，即是往返时间。在本实例中, 平均往返时间最小/最大/平均时间都近似等于0ms, 这是因为程序使用的计时器分辨率低的原因.

Q: 发送4次ICMP请求时,间隔多少时间一次?
A: ping命令默认是每间隔1秒发送一次请求.在Ethereal中可以看出这个时间间隔是1秒左右,如下图所示的第二列:

第一次是0.000186秒钟,第二次是0.992374秒钟,第三次是1.992331秒钟,间隔约为1秒.

本学习记录已完结。