面试题：网络编程之ICMP协议基础应用

Question

在网络编程中，简述ICMP协议的主要功能有哪些？如果让你基于ICMP协议编写一个简单的网络连通性测试工具（类似ping命令），请描述主要的实现步骤。

Answer 1

ICMP协议主要功能

1. 差错报告：当网络设备（如路由器）在处理IP数据报时遇到错误，例如目的不可达（网络不可达、主机不可达、端口不可达等）、数据报超时（生存时间TTL为0）等情况，会通过ICMP向源主机发送差错报告报文，告知源主机出现的问题。
2. 网络拥塞控制：当网络发生拥塞时，路由器可能会向源主机发送ICMP源抑制报文，通知源主机降低发送数据的速率，以缓解网络拥塞。
3. 路径控制：路由器可以通过ICMP重定向报文，通知主机去往某目的地址更优的下一跳地址，帮助主机优化其路由表。
4. 网络诊断与测试：如ping命令利用ICMP回显请求和回显应答报文来测试网络连通性；traceroute命令利用ICMP超时和目的不可达报文来跟踪数据包从源到目的所经过的路由路径。

基于ICMP协议编写网络连通性测试工具（类似ping命令）主要实现步骤

1. 创建原始套接字：在大多数操作系统中，使用socket函数创建一个原始套接字，指定协议族为IP（AF_INET），套接字类型为原始套接字（SOCK_RAW），协议为ICMP（IPPROTO_ICMP）。
2. 构造ICMP报文：
   • ICMP头部：
     • 类型：设置为8（表示回显请求）。
     • 代码：一般为0。
     • 校验和：先将校验和字段置为0，然后计算整个ICMP报文（包括头部和数据部分）的校验和并填充到该字段。
     • 标识符：可以是进程ID，用于标识本进程发送的ICMP报文。
     • 序列号：从0开始递增，用于标识不同的回显请求报文。
   • ICMP数据部分：可以包含一些自定义的数据，例如时间戳等，用于计算往返时间（RTT）。
3. 设置IP头部：虽然ICMP协议本身不包含IP头部，但原始套接字发送数据时需要填充IP头部。
   • 版本：一般为IPv4，即4。
   • 首部长度：IP头部长度，一般为20字节，对应值为5（以4字节为单位）。
   • 区分服务：通常为0。
   • 总长度：IP头部长度 + ICMP报文长度。
   • 标识：可以随机生成一个值，用于唯一标识该IP数据报。
   • 标志：一般设置为0。
   • 片偏移：一般为0。
   • 生存时间：设置合适的TTL值，如64。
   • 协议：设置为ICMP协议号（1）。
   • 首部校验和：计算IP头部的校验和并填充。
   • 源IP地址：获取本机IP地址填充。
   • 目的IP地址：填充目标主机的IP地址。
4. 发送ICMP报文：使用sendto函数将构造好的包含IP头部和ICMP报文的数据发送到目标主机。
5. 接收ICMP应答报文：使用recvfrom函数从套接字接收数据，等待目标主机返回的ICMP回显应答报文。
6. 解析应答报文：
   • 首先解析IP头部，检查IP头部的正确性，如版本、首部长度等。
   • 然后根据IP头部中的总长度字段找到ICMP报文的位置，解析ICMP头部。
   • 检查ICMP类型是否为0（回显应答），代码是否为0，标识符是否与发送时的标识符一致，序列号是否匹配。
   • 从ICMP数据部分提取发送时填充的数据，例如时间戳，计算往返时间（RTT）。
7. 显示结果：根据解析结果，显示网络连通性信息，如目标主机是否可达、往返时间等。如果在一定时间内未收到应答报文，则提示超时，表明目标主机可能不可达。