第7章 Ping程序
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7.1 引言
“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（图6-3列出了所有的ICMP报文类型）。
一般来说，如果不能Ping到某台主机，那么就不能Te lnet或者FTP到那台主机。反过来，如果不能Te lnet到某台主机，那么通常可以用Ping程序来确定问题出在哪里。Ping程序还能测出到这台主机的往返时间，以表明该主机离我们有“多远”。
在本章中，我们将使用Ping程序作为诊断工具来深入剖析ICMP。Ping还给我们提供了检测IP记录路由和时间戳选项的机会。文献[Stevens 1990]的第11章提供了Ping程序的源代码。
几年前我们还可以作出这样没有限定的断言，如果不能Ping到某台主机，那么就不能Te lnet或FTP到那台主机。随着Internet安全意识的增强，出现了提供访问控制清单的路由器和防火墙，那么像这样没有限定的断言就不再成立了。一台主机的可达性可能不只取决于IP层是否可达，还取决于使用何种协议以及端口号。Ping程序的运行结果可能显示某台主机不可达，但我们可以用Te lnet远程登录到该台主机的25号端口（邮件服务器）。
7.2 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（在第6章中描述的两种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图7-1所示。
图7-1ICMP回显请求和回显应答报文格式
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）”。
7.2.1 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：
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。我们将在第8章中通过traceroute程序来介绍TTL的用法）。
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。注意，在发送端bsdi上，往返时间的计算结果都为0 ms。这是因为程序使用的计时器分辨率低的原因。BSD/386版本0.9.4系统只能提供10 ms级的计时器（在附录B中有更详细的介绍）。在后面的章节中，当我们在具有较高分辨率计时器的系统上（Sun）查看tcpdump输出时会发现，ICMP回显请求和回显应答的时间差在4ms以下。
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。我们将在第14章介绍解析器和DNS。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。
本例中的tcpdump输出如图7-2所示。
图7-2 在LAN上运行ping程序的结果
从发送回显请求到收到回显应答，时间间隔始终为3.7ms。还可以看到，回显请求大约每隔1秒钟发送一次。
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。正如我们在第4章中看到的那样，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。下面的例子说明了这一点：
第1个RTT中多出的3ms很可能就是因为发送ARP请求和接收ARP应答所花费的时间。
这个例子运行在sun主机上，它提供的是具有微秒级分辨率的计时器，但是ping程序只能打印出毫秒级的往返时间。在前面运行于BSD/386 0.9.4版上的例子中，打印出来的往返时间值为0 ms，这是因为计时器只能提供10ms的误差。下面的例子是BSD/386 1.0版的输出，它提供的计时器也具有微秒级的分辨率，因此，ping程序的输出结果也具有较高的分辨率。
7.2.2 WAN输出
在一个广域网上，结果会有很大的不同。下面的例子是在某个工作日的下午即Internet具有正常通信量时的运行结果：
这里，序列号为1、2、3、4、6、10、11、12和13的回显请求或回显应答在某个地方丢失了。另外，我们注意到往返时间发生了很大的变化（像52%这样高的分组丢失率是不正常的。即使是在工作日的下午，对于Internet来说也是不正常的）。
通过广域网还有可能看到重复的分组（即相同序列号的分组被打印两次或更多次），失序的分组（序列号为N+1的分组在序列号为N的分组之前被打印）。
7.2.3 线路SLIP链接
让我们再来看看SLIP链路上的往返时间，因为它们经常运行于低速的异步方式，如9600b/s或更低。回想我们在2.10节计算的串行线路吞吐量。针对这个例子，我们把主机bsdi和slip之间的SLIP链路传输速率设置为1200 b/s。
下面我们可以来估计往返时间。首先，从前面的Ping程序输出例子中可以注意到，默认情况下发送的ICMP报文有56个字节。再加上20个字节的IP首部和8个字节的ICMP首部，IP数据报的总长度为84字节（我们可以运行tcpdump -e命令查看以太网数据帧来验证这一点）。另外，从2.4节可以知道，至少要增加两个额外的字节：在数据报的开始和结尾加上END字符。此外，SLIP帧还有可能再增加一些字节，但这取决于数据报中每个字节的值。对于1200 b/s这个速率来说，由于每个字节含有8bit数据、1bit起始位和1bit结束位，因此传输速率是每秒120个字节，或者说每个字节8.33 ms。所以我们可以估计需要1433（86×8.33×2）ms（乘2是因为我们计算的是往返时间）。
下面的输出证实了我们的计算：
（对于SVR4来说，如果每秒钟发送一次请求则必须带-s选项）。往返时间大约是1.5秒，但是程序仍然每间隔1秒钟发送一次ICMP回显请求。这说明在第1个回显应答返回之前（1.480秒时刻）就已经发送了两次回显请求（分别在0秒和1秒时刻）。这就是为什么总结行指出丢失了一个分组。实际上分组并未丢失，很可能仍然在返回的途中。
我们在第8章讨论traceroute程序时将回头再讨论这种低速的SLIP链路。
7.2.4 拨号SLIP链路
对于拔号SLIP链路来说，情况有些变化，因为在链路的两端增加了调制解调器。用在sun和netb系统之间的调制解调器提供的是V.32调制方式（9600 b/s）、V.42错误控制方式（也称作LAP-M）以及V.42bis数据压缩方式。这表明我们针对线路链路参数进行的简单计算不再准确了。
很多因素都有可能影响。调制解调器带来了时延。随着数据的压缩，分组长度可能会减小，但是由于使用了错误控制协议，分组长度又可能会增加。另外，接收端的调制解调器只能在验证了循环检验字符（检验和）后才能释放收到的数据。最后，我们还要处理每一端的计算机异步串行接口，许多操作系统只能在固定的时间间隔内，或者收到若干字符后才去读这些接口。
作为一个例子，我们在sun主机上ping主机gemini，输出结果如下：
注意，第1个RTT不是10 ms的整数倍，但是其他行都是10 ms的整数倍。如果我们运行该程序若干次，发现每次结果都是这样（这并不是由sun主机上的时钟分辨率造成的结果，因为根据附录B中的测试结果可以知道它的时钟能提供毫秒级的分辨率）。
另外还要注意，第1个RTT要比其他的大，而且依次递减，然后徘徊在280～300 ms之间。我们让它运行1~2分钟，RTT一直处于这个范围，不会低于260 ms。如果我们以9600 b/s的速率计算RTT（习题7.2），那么观察到的值应该大约是估计值的1.5倍。
如果运行ping程序60秒钟并计算观察到的RTT的平均值，我们发现在V.42和V.42bis模式下平均值为277 ms（这比上个例子打印出来的平均值要好，因为运行时间较长，这样就把开始较长的时间平摊了）。如果我们关闭V.42bis数据压缩方式，平均值为330 ms。如果我们关闭V.42错误控制方式（它同时也关闭了V.42bis数据压缩方式），平均值为300 ms。这些调制解调器的参数对RTT的影响很大，使用错误控制和数据压缩方式似乎效果最好。
7.3 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。我们从图3-1可以看到，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32 bit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ARPA NET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选项的一般格式如图7-3所示。
图7-3 IP首部中的记录路由选项的一般格式
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。
7.3.1 通常的例子
我们举一个用RR选项运行ping程序的例子，在主机svr4上运行ping程序到主机slip。一个中间路由器(bsdi)将处理这个数据报。下面是svr4的输出结果：
分组所经过的四站如图7-4所示（每个方向各有两站），每一站都把自己的IP地址加入RR清单。
图7-4带有记录路由选项的ping程序
路由器bsdi在不同方向上分别加入了不同的IP地址。它始终是把出口的IP地址加入清单。我们还可以看到，当ICMP回显应答到达原始系统（svr4）时，它把自己的入口IP地址也加入清单中。
还可以通过运行带有-v选项的tcpdump命令来查看主机sun上进行的分组交换（参见IP选项）。输出如图7-5所示。
图7-5记录路由选项的tcpdump输出
输出中optlen=40表示在IP首部中有40个字节的选项空间（IP首部长度必须为4字节的整数倍）。RR{39}的意思是记录路由选项已被设置，它的长度字段是39。然后是9个IP地址，符号“#”用来标记RR选项中的ptr字段所指向的IP地址。由于我们是在主机sun上观察这些分组（参见图7-4），因此所能看到ICMP回显请求中的IP地址清单是空的，而ICMP回显应答中有3个IP地址。我们省略了tcpdump输出中的其他行，因为它们与图7-5基本一致。
位于路由信息末尾的标记EOL表示IP选项“end of list（清单结束）”的值。EOL选项的值可以为0。这时表示39个字节的RR数据位于IP首部中的40字节空间中。由于在数据报发送之前空间选项被设置为0，因此跟在39个字节的RR数据之后的0字符就被解释为EOL。这正是我们所希望的结果。如果在IP首部中的选项字段中有多个选项，在开始下一个选项之前必须填入空白字符，另外还可以用另一个值为1的特殊字符NOP（“no operation”）。
在图7-5中，SVR4把回显请求中的TTL字段设为32，BSD/386设为255（它打印出的值为254是因为路由器bsdi已经将其减去1）。新的系统都把ICMP报文中的TTL设为最大值（255）。
在作者使用的三个TCP/IP系统中，BSD/386和SVR4都支持记录路由选项。这就是说，当转发数据报时，它们都能正确地更新RR清单，而且能正确地把接收到的ICMP回显请求中的RR清单复制到出口ICMP回显应答中。虽然SunOS 4.1.3在转发一个数据报时能正确更新RR清单，但是不能复制RR清单。Solaris 2.x对这个问题已作了修改。
7.3.2 异常的输出
下面的例子是作者观察到的，把它作为第9章讨论ICMP间接报文的起点。在子网140.252.1上ping主机aix（在主机sun上通过拨号SLIP连接可以访问），并带有记录路由选项。在slip主机上运行有如下输出结果：
我们已经在主机bsdi上运行过这个例子。现在选择slip来运行它，观察RR清单中所有的9个IP地址。
在输出中令人感到疑惑的是，为什么传出的数据报（ICMP回显请求）直接从netb传到aix，而返回的数据报（ICMP回显应答）却从aix开始经路由器gateway再到netb？这里看到的正是下面将要描述的IP选路的一个特点。数据报经过的路由如图7-6所示。
问题是aix不知道要把目的地为子网140.252.13的IP数据报发到主机netb上。相反，aix在它的路由表中有一个默认项，它指明当没有明确某个目的主机的路由时，就把所有的数据报发往默认项指定的路由器gateway。路由器gateway比子网140.252.1上的任何主机都具备更强的选路能力（在这个以太网上有超过150台主机，每台主机的路由表中都有一个默认项指向路由器gateway，这样就不用在每台主机上都运行一个选路守护程序）。
这里没有应答的一个问题是为什么gateway不直接发送ICMP报文重定向到aix（9.5节），以更新它的路由表？由于某种原因（很可能是由于数据报产生的重定向是一份ICMP回显请求报文），重定向并没有产生。但是如果我们用Te lnet登录到aix上的daytime服务器，ICMP就会产生重定向，因而它在aix上的路由表也随之更新。如果接着执行ping程序并带有记录路由选项，其路由显示表明数据报从netb到aix，然后返回netb，而不再经过路由器gateway。在9.5节中将更详细地讨论ICMP重定向的问题。
图7-6 运行带有记录路由选项的ping程序，显示IP选路的特点
7.4 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图7-7所示（请与图7-3进行比较）。
图7-7 IP首部中时间戳选项的一般格式
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，如图7-8所示。
图7-8 时间戳选项不同标志字段值的意义
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（第8章）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。
7.5 小结
ping程序是对两个TCP/IP系统连通性进行测试的基本工具。它只利用ICMP回显请求和回显应答报文，而不用经过传输层（TCP/UDP）。Ping服务器一般在内核中实现ICMP的功能。
我们分析了在LAN、WAN以及SLIP链路（拨号和线路）上运行ping程序的输出结果，并对串行线路上的SLIP链路吞吐量进行了计算。我们还讨论并使用了ping程序的IP记录路由选项。利用该IP选项，可以看到它是如何频繁使用默认路由的。在第9章我们将再次回到这个讨论主题。另外，还讨论了IP时间戳选项，但它在实际使用时有所限制。
习题
- 请画出7.2节中ping输出的时间线。
- 若把bsdi和slip主机之间的SLIP链路设置为9600 b/s，请计算这时的RTT。假定默认的数据是56字节。
- 当前BSD版中的ping程序允许我们为ICMP报文的数据部分指定一种模式（数据部分的前8个字节不用来存放模式，因为它要存放发送报文的时间）。如果我们指定的模式为0xc0，请重新计算上一题中的答案（提示：阅读2.4节）。
- 使用压缩SLIP（CSLIP，见2.5节）是否会影响我们在7.2节中看到的ping输出中的时间值？
- 在图2-4中，ping环回地址与ping主机以太网地址会出现什么不同？
