HCIA网络基础4-ICMP协议和arp协议

文章目录

• ​​ICMP协议数据包格式及类型​​
• ​​ICMP协议作用​​
• ​​ARP 协议报文及原理​​

ICMP协议数据包格式及类型

Internet控制消息协议ICMP（Internet Control Message Protocol）是网络层的一个重要协议。ICMP协议用来在网络设备间传递各种差错和控制信息，并对于收集各种网络信息、诊断和排除各种网络故障等方面起着至关重要的作用。

消息格式

ICMP消息封装在IP报文中。

ICMP消息的格式取决于Type和Code字段，其中Type字段为消息类型，Code字段包含该消息类型的具体参数。

校验和字段用于检查消息是否完整。

消息中包含32比特的可变参数，这个字段一般不使用，通常设置为0。在ICMP Redirect消息中，这个字段用来指定网关IP地址，主机根据这个地址将报文重定向到指定网关。在Echo请求消息中，这个字段包含标识符和序号，源端根据这两个参数将收到的回复消息与本端发送的Echo请求消息进行关联。尤其是当源端向目的端发送了多个Echo请求消息时，需要根据标识符和序号将Echo请求和回复消息进行一一对应。

消息类型

ICMP定义了多种消息类型，并用于不同的场景。有些消息不需要Code字段来描述具体类型参数，仅用Type字段表示消息类型。比如，ICMP Echo回复消息的Type字段设置为0。

有些ICMP消息使用Type字段定义消息大类，用Code字段表示消息的具体类型。比如，类型为3的消息表示目的不可达，不同的Code值表示不可达的原因，包括目的网络不可达（Code=0）、目的主机不可达（Code=1）、协议不可达（Code=2）、目的TCP/UDP端口不可达（Code=3）等。

差错检测

ICMP Echo Request和ICMP Echo Reply分别用来查询和响应某些信息，进行差错检测。

错误报告

ICMP定义了各种错误消息，用于诊断网络连接性问题；根据这些错误消息，源设备可以判断出数据传输失败的原因。比如，如果网络中发生了环路，导致报文在网络中循环，且最终TTL超时，这种情况下网络设备会发送TTL超时消息给发送端设备。又比如如果目的地不可达，则中间的网络设备会发送目的不可达消息给发送端设备。目的不可达的情况有多种，如果是网络设备无法找到目的网络，则发送目的网络不可达消息；如果网络设备无法找到目的网络中的目的主机，则发送目的主机不可达消息。

ICMP协议作用

检测网络连通性
ICMP的一个典型应用是Ping。Ping是检测网络连通性的常用工具，同时也能够收集其他相关信息。用户可以在Ping命令中指定不同参数，如ICMP报文长度、发送的ICMP报文个数、等待回复响应的超时时间等，设备根据配置的参数来构造并发送ICMP报文，进行Ping测试。
Ping常用的配置参数说明如下：

1. -a source-ip-address指定发送ICMP ECHO-REQUEST报文的源IP地址。如果不指定源IP地址，将采用出接口的IP地址作为ICMP ECHO-REQUEST报文发送的源地址。
2. -c count指定发送ICMP ECHO-REQUEST报文次数。缺省情况下发送5个ICMP ECHO-REQUEST报文。
3. -h ttl-value指定TTL的值。缺省值是255。
4. -t timeout指定发送完ICMP ECHO-REQUEST后，等待ICMP ECHO-REPLY的超时时间。

<RTA>ping ?
STRING<1-255> IP address or hostname of a remote system
-a            Select source IP address, the default is the IP address of the 
              output interface
-c            Specify the number of echo requests to be sent, the default is 
              5
-d            Specify the SO_DEBUG option on the socket being used
-f            Set Don't Fragment flag in packet (IPv4-only)
-h            Specify TTL value for echo requests to be sent, the default is 
              255
-i            Select the interface sending packets

Ping命令的输出信息中包括目的地址、ICMP报文长度、序号、TTL值以及往返时间。序号是包含在Echo回复消息（Type=0）中的可变参数字段，TTL和往返时间包含在消息的IP头中。

[RTA]ping 10.0.0.2
  PING 10.0.0.2 : 56  data bytes, press CTRL_C to break
    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=1 ttl=255 time=340 ms
    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=2 ttl=255 time=10 ms
    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=3 ttl=255 time=30 ms
    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=4 ttl=255 time=30 ms
    Reply from 10.0.0.2 : bytes=56 Sequence=5 ttl=255 time=30 ms

  --- 10.0.0.2 ping statistics ---
    5 packet(s) transmitted
    5 packet(s) received
    0.00% packet loss
    round-trip min/avg/max = 10/88/340 ms

tracert

ICMP的另一个典型应用是Tracert。Tracert基于报文头中的TTL值来逐跳跟踪报文的转发路径。为了跟踪到达某特定目的地址的路径，源端首先将报文的TTL值设置为1。该报文到达第一个节点后，TTL超时，于是该节点向源端发送TTL超时消息，消息中携带时间戳。然后源端将报文的TTL值设置为2，报文到达第二个节点后超时，该节点同样返回TTL超时消息，以此类推，直到报文到达目的地。这样，源端根据返回的报文中的信息可以跟踪到报文经过的每一个节点，并根据时间戳信息计算往返时间。Tracert是检测网络丢包及时延的有效手段，同时可以帮助管理员发现网络中的路由环路。

Tracert常用的配置参数说明如下：

-a source-ip-address指定tracert报文的源地址。

-f first-ttl指定初始TTL。缺省值是1。

-m max-ttl指定最大TTL。缺省值是30。

-name使能显示每一跳的主机名。

-p port指定目的主机的UDP端口号。

<RTA>tracert ?
STRING<1-255>  IP address or hostname of a remote system
-a             Set source IP address, the default is the IP address of the    
               output interface
-f             First time to live, the default is 1
-m             Max time to live, the default is 30
-name          Display the host name of the router on each hop
-p             Destination UDP port number, the default is 33434
-q             Number of probe packet, the default is 3
-s             Specify the length of the packets to be sent. The default      
               length is 12 bytes

ICMP重定向

ICMP Redirect重定向消息用于支持路由功能。如图所示，主机A希望发送报文到服务器A，于是根据配置的默认网关地址向网关RTB发送报文。网关RTB收到报文后，检查报文信息，发现报文应该转发到与源主机在同一网段的另一个网关设备RTA，因为此转发路径是更优的路径，所以RTB会向主机发送一个Redirect消息，通知主机直接向另一个网关RTA发送该报文。主机收到Redirect消息后，会向RTA发送报文，然后RTA会将该报文再转发给服务器A。

源端（RTA）向目的端（主机B）发送一个UDP报文，TTL值为1，目的UDP端口号是大于30000的一个数，因为在大多数情况下，大于30000的UDP端口号是任何一个应用程序都不可能使用的端口号。
第一跳（RTB）收到源端发出的UDP报文后，判断出报文的目的IP地址不是本机IP地址，将TTL值减1后，判断出TTL值等于0，则丢弃报文并向源端发送一个ICMP超时（Time Exceeded）报文（该报文中含有第一跳的IP地址10.0.0.2），这样源端就得到了RTB的地址。
源端收到RTB的ICMP超时报文后，再次向目的端发送一个UDP报文，TTL值为2。
第二跳（RTC）收到源端发出的UDP报文后，回应一个ICMP超时报文，这样源端就得到了RTC的地址（20.0.0.2）。
以上过程不断进行，直到目的端收到源端发送的UDP报文后，判断出目的IP地址是本机IP地址，则处理此报文。根据报文中的目的UDP端口号寻找占用此端口号的上层协议，因目的端没有应用程序使用该UDP端口号，则向源端返回一个ICMP端口不可达（Destination Unreachable）报文。
源端收到ICMP端口不可达报文后，判断出UDP报文已经到达目的端，则停止Tracert程序，从而得到数据报文从源端到目的端所经历的路径（10.0.0.2；20.0.0.2；30.0.0.2）。

<RTA>tracert 30.0.0.2
Tracert to 30.0.0.2(30.0.0.2), max hops:30, packet length:40, press CTRL_C to break 
 1 10.0.0.2 130 ms  50 ms  40 ms 
 2 20.0.0.2 80 ms  60 ms  80 ms
 3 30.0.0.2 80 ms  60 ms  70 ms

ICMP中tracert的第二个功能-多路径探测功能

ARP 协议报文及原理

当网络设备有数据要发送给另一台网络设备时，必须要知道对方的网络层地址（即IP地址）。IP地址由网络层来提供，但是仅有IP地址是不够的，IP数据报文必须封装成帧才能通过数据链路进行发送。数据帧必须要包含目的MAC地址，因此发送端还必须获取到目的MAC地址。通过目的IP地址来获取目的MAC地址的过程是由ARP（Address Resolution Protocol）协议来实现的。

ARP协议报文

网络设备通过ARP报文来发现目的MAC地址。ARP报文中包含以下字段：

Hardware Type表示硬件地址类型，一般为以太网；

Protocol Type表示三层协议地址类型，一般为IP；

Hardware Length和Protocol Length为MAC地址和IP地址的长度，单位是字节；

Operation Code指定了ARP报文的类型，包括ARP Request和ARP Reply；

Source Hardware Address指的是发送ARP报文的设备MAC地址；

Source Protocol Address指的是发送ARP报文的设备IP地址；

Destination Hardware Address指的是接收者MAC地址，在ARP Request报文中，该字段值为0；

Destination Protocol Address指的是接收者的IP地址。

工作过程

网络设备一般都有一个ARP缓存（ARP Cache），ARP缓存用来存放IP地址和MAC地址的关联信息。在发送数据前，设备会先查找ARP缓存表。如果缓存表中存在对方设备的MAC地址，则直接采用该MAC地址来封装帧，然后将帧发送出去。如果缓存表中不存在相应信息，则通过发送ARP Request报文来获得它。学习到的IP地址和MAC地址的映射关系会被放入ARP缓存表中存放一段时间。在有效期内，设备可以直接从这个表中查找目的MAC地址来进行数据封装，而无需进行ARP查询。过了这段有效期，ARP表项会被自动删除。
如果目标设备位于其他网络，则源设备会在ARP缓存表中查找网关的MAC地址，然后将数据发送给网关，网关再把数据转发给目的设备。

Host A>arp -a
Internet Address    Physical Address   Type

如下示例：主机A的ARP缓存表中不存在主机C的MAC地址，所以主机A会发送ARP Request来获取目的MAC地址。
ARP Request报文封装在以太帧里。帧头中的源MAC地址为发送端主机A的MAC地址。
此时，由于主机A不知道主机C的MAC地址，所以目的MAC地址为广播地址FF-FF-FF-FF-FF-FF。
ARP Request报文中包含源IP地址、目的IP地址、源MAC地址、目的MAC地址，其中目的MAC地址的值为0。
ARP Request报文会在整个网络上传播，该网络中所有主机包括网关都会接收到此ARP Request报文。网关将会阻止该报文发送到其他网络上。

所有的主机接收到该ARP Request报文后，都会检查它的目的协议地址字段与自身的IP地址是否匹配。如果不匹配，则该主机将不会响应该ARP Request报文。如果匹配，则该主机会将ARP报文中的源MAC地址和源IP地址信息记录到自己的ARP缓存表中，然后通过ARP Reply报文进行响应。

主机C会向主机A回应ARP Reply报文。ARP Reply报文中的源协议地址是主机C自己的IP地址，目标协议地址是主机A的IP地址，目的MAC地址是主机A的MAC地址，源MAC地址是自己的MAC地址，同时Operation Code被设置为Reply。ARP Reply报文通过单播传送。

这样主机A就可以拿到主机C的mac地址，从而封装报文进行数据发送。

ARP代理
上述示例中主机处于同一个网络中，因此广播就可以拿到主机MAC地址。如下示例，主机A和主机B处于不通网段，这个时候很显然二层广播报文无法穿过路由器。也就无法得到目的主机B的MAC地址。
这个时候在路由器上启用代理ARP功能，就可以解决这个问题。启用代理ARP后，路由器收到这样的请求，会查找路由表，如果存在主机B的路由表项，路由器将会使用自己的G0/0/0接口的MAC地址来回应该ARP Request。主机A收到ARP Reply后，将以路由器的G0/0/0接口MAC地址作为目的MAC地址进行数据转发。

免费ARP探测IP冲突当局域网中的某台主机被分配了IP地址或者IP地址发生变更后，必须立刻检测其所分配的IP地址在网络上是否是唯一的，以避免地址冲突。主机通过发送ARP Request报文来进行地址冲突检测。

如下：主机A将ARP Request广播报文中的目的IP地址字段设置为自己的IP地址，且该网络中所有主机包括网关都会接收到此报文。当目的IP地址已经被某一个主机或网关使用时，该主机或网关就会回应ARP Reply报文。通过这种方式，主机A就能探测到IP地址冲突了。