TCP IP详解(7)Ping程序

7 Ping程序

7.1 引言
“ping”这个名字来自于声纳定位操作。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
回显回答。（图6.3列出了所有的ICMP报文类型。）
一般来说，如果你不能Ping到某台主机，那么你就不能Telnet或者FTP到那台主机。
反过来，如果你不能Telnet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。

（下面是原书p.85①的译文）
几年前我们还可以作出这样没有限定的断言，如果我们不能Ping到某台主机，那么
就不能Telnet或FTP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Telnet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。（我们
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回显请求和回显回答报文如图7.1所示。

图7.1 ICMP回显请求和回显回答报文格式

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
的每个回显回答。但是，新版本的实现需要加上-s参数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，如果收到回显回答则输出“host is
alive”，否则在20秒内没有收到回答就输出“no answer”（没有回答）。

LAN输出
在局域网LAN上运行ping程序的结果输出一般有如下格式：

（见原书p.86的①）

当返回ICMP回显回答时，要打印出序号和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程序每次收到回显回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。）
我们从上面的输出中可以看出，回显回答是以发送的次序返回的（0，1，2等等）。
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。当回答返
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。（我们在附录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回显请求和回显回答的时间差在4 ms以下。
输出的第一行包括目的主机的IP地址，尽管我们指定的是它的名字（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，几秒钟过后会在第一行打印出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回答，时间间隔始终为3.7 ms。我们还可以看到，回显
请求大约每隔1秒钟发送一次。
通常，第一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回答，这需要花费几毫秒的时间。下面的例子说明了这一点：

（见原书p.88的①）

第一个RTT中多的3 ms很可能就是因为发送ARP请求和接收ARP回答所花费的时间。
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10 ms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。

（见原书p.88的②）

WAN输出
在一个广域网WAN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：

（见原书p.88的③）

这里，序号为1，2，3，4，6，10，11，12和13的回显请求或回显回答在某个地方
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（即相同序号的分组被打印两次或更多次），
失序的分组（序号为N + 1的分组在序号为N的分组之前被打印。）

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
9600 b/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，我们从前面的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节我们可以知道，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8 bit数据，
1 bit起始位和1 bit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：

（见原书p.89的①）

（对于SVR4来说，如果每秒钟发送一次请求则必须带-s参数。）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。这说明在第一个回显回答返
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。

拔号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
若干字符后者才去读这些接口。
作为一个例子，我们在sun主机上ping主机gemini，输出结果如下：

（见原书p.90的①）

注意，第一个RTT不是10 ms的整数倍，但是其它行都是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，第一个RTT要比其他的大，而且依次递减，然后徘徊在280至300 ms
之间。我们让它运行一分钟到两分钟，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），那么我们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。（这要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参数，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IP RR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回显回答中，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
回显回答时，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回显回答中，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回答中。
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4 bit，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
回显回答时，它也要把它的入口IP地址放入清单中。

正常的例子
我们举一个用RR选项运行ping程序的例子。我们在主机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：

（见原书p.92的①）

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回显回答到达原始系统（svr4）时，它把自己的入口IP
地址也加入清单中。
我们还可以通过运行带有-v参数的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），因此我们所能看到ICMP回显请求中的IP地址清单是
空的，而ICMP回显回答中有3个IP地址。我们省略了tcpdump输出中的其它行，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”）。

（下面是原书p.93①的译文）
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回显回答中。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。

异常的输出
下面的例子是作者观察到的，我们把它作为第9章讨论ICMP间接报文的起点。我们
在子网140.252.1子网上ping主机aix（在主机sun上通过拔号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：

（见原书p.94的①）

我们已经在主机bsdi上运行过这个例子。现在我们选择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回显回答）却从aix开始经路由器gateway再到netb？这
里看到的正是下面我们将要描述的IP路由选择的一个特点。数据报经过的路由如图7.6
所示。

图7.6 运行带有记录路由选项的ping程序，显示IP路由选择的特点

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路由选择能力。（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路
由选择守护程序。）
这里没有回答的一个问题是为什么gateway不直接发送ICMP报文改变路由到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改变路由
是一份ICMP回显请求报文），改变路由并没有产生。但是如果我们用Telnet登录到aix
上的daytime服务器，ICMP就会产生改变路由，因而它在aix上的路由表也随之更新。如
果我们接着执行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节中我们将更详细地讨论ICMP改变路
由的问题。

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。其它两个字段len和ptr与记录路由选项相同：选项的总
长度（一般为36或40）和指向下一可用空间的指针（5，9，13，等）。
接下来的两个字段是4 bit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。

（下面是图7.8的译文）
标志
描述
0
只记录时间戳，正如我们在图7.7看到的那样。
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四对地址和时间戳的空
间。
3
发送端对选项列表进行初始化，存放了4个IP地址和四个取值为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。
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午夜开始计的毫秒数，UTC，与ICMP时间戳请求和回答相类
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
（除非我们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，你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
和回显回答报文，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（拔号和线路）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，我们可以看到它是如何经常使用默认路由的。在第9章我们
将再次回到这个讨论主题。另外，我们还讨论了IP 时间戳选项，但它在实际使用时有
所限制。

习题
7.1 请画出7.2节中ping输出的时间线。
7.2 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。
7.3 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。）
7.4 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？
7.5 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？

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