ICMP 是個(gè)啥破玩意？

我們之前的文章中了解過(guò) TCP/IP 協(xié)議，我那時(shí)候碼了一句

原文鏈接見(jiàn)如下：

TCP/IP 基礎(chǔ)知識(shí)總結(jié)

下面我們就來(lái)真正認(rèn)識(shí)一下 ICMP 協(xié)議

什么是 ICMP

ICMP 的全稱(chēng)是 Internet Control Message Protocol(互聯(lián)網(wǎng)控制協(xié)議)，它是一種互聯(lián)網(wǎng)套件，它用于IP 協(xié)議中發(fā)送控制消息。也就是說(shuō)，ICMP 是依靠 IP 協(xié)議來(lái)完成信息發(fā)送的，它是 IP 的主要部分，但是從體系結(jié)構(gòu)上來(lái)講，它位于 IP 之上，因?yàn)?ICMP 報(bào)文是承載在 IP 分組中的，就和 TCP 與 UDP 報(bào)文段作為 IP 有效載荷被承載那樣。這也就是說(shuō)，當(dāng)主機(jī)收到一個(gè)指明上層協(xié)議為 ICMP 的 IP 數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，它會(huì)分解出該數(shù)據(jù)報(bào)的內(nèi)容給 ICMP，就像分解數(shù)據(jù)報(bào)的內(nèi)容給 TCP 和 UDP 一樣。

ICMP 協(xié)議和 TCP、UDP 等協(xié)議不同，它不用于傳輸數(shù)據(jù)，只是用來(lái)發(fā)送消息。因?yàn)?IP 協(xié)議現(xiàn)在有兩類(lèi)版本：IPv4 和 IPv6 ，所以 ICMP 也有兩個(gè)版本：ICMPv4 和 ICMPv6。

ICMP 的主要功能

對(duì)于 ICMP 的功能，主要分為兩個(gè)

• ICMP 的第一個(gè)功能是確認(rèn) IP 包是否能夠成功到達(dá)目標(biāo)地址，當(dāng)兩個(gè)設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相連時(shí)，任意一個(gè)設(shè)備發(fā)送給另一個(gè)設(shè)備的 IP 包如果沒(méi)有到達(dá)，就會(huì)生成 ICMP 數(shù)據(jù)包發(fā)送給設(shè)備共享。ICMP 的第二個(gè)功能是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)診斷，經(jīng)常使用 ICMP 數(shù)據(jù)包的兩個(gè)終端程序是 ping 和 traceroute，traceroute 程序用于顯示兩臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間可能的路徑并測(cè)量數(shù)據(jù)包在 IP 網(wǎng)絡(luò)上的時(shí)延。ping 程序是 traceroute 的簡(jiǎn)化版本，我們經(jīng)常使用 ping 命令來(lái)測(cè)試兩臺(tái)設(shè)備之間是否互聯(lián)，ping 通常用來(lái)測(cè)試兩臺(tái)主機(jī)之間的連接速度，并準(zhǔn)確報(bào)告數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地并返回后所花費(fèi)的時(shí)間。

現(xiàn)在我們知道了，如果在 IP 通信過(guò)程中由于某個(gè) IP 包由于某種原因未能到達(dá)目標(biāo)主機(jī)，那么這個(gè)具體的原因?qū)⒂?ICMP 進(jìn)行通知，下面是一個(gè) ICMP 的通知示意圖

上面我們只是畫(huà)出了路由器 2 給主機(jī) A 發(fā)送了一個(gè) ICMP 數(shù)據(jù)包，而沒(méi)有畫(huà)出具體的通知類(lèi)型，但實(shí)際情況是，上面發(fā)送的是目標(biāo)不可達(dá)類(lèi)型(Destination unreachable)，ICMP 也是具有不同的通知類(lèi)型的，下面我們匯總了 ICMP 數(shù)據(jù)包的具體通知類(lèi)型。

上表顯示的 ICMP 通知類(lèi)型主要分為兩類(lèi)：有關(guān) IP 數(shù)據(jù)報(bào)傳遞的 ICMP 報(bào)文，這類(lèi)報(bào)文也叫做差錯(cuò)報(bào)文(error message)，以及有關(guān)信息采集和配置的 ICMP 報(bào)文，這類(lèi)報(bào)文也被稱(chēng)為查詢(xún) query 或者信息類(lèi)報(bào)文。

信息類(lèi)報(bào)文包括回送請(qǐng)求和回送應(yīng)答(類(lèi)型 8 和 類(lèi)型 0 )，路由器公告和路由器請(qǐng)求(類(lèi)型 9 和 類(lèi)型 0 )。最常見(jiàn)的差錯(cuò)報(bào)文類(lèi)型包括目標(biāo)不可達(dá)(類(lèi)型 3 )、重定向(類(lèi)型 5)、超時(shí)(類(lèi)型 11)。

ICMP 在 IPv4 和 IPv6 的封裝

我們知道，ICMP 是承載在 IP 內(nèi)部的，而且 IPv4 和 IPv6 的封裝位置不同：

ICMP 在 IPv4 協(xié)議中的封裝

ICMP 在 IPv6 協(xié)議中的封裝

上面兩張圖顯示了 ICMPV4 和 ICMPv6 的報(bào)文格式。開(kāi)頭的 4 個(gè)字節(jié)在所有的報(bào)文中都是一樣的。但是其余部分在不同的報(bào)文中卻不一樣。

ICMP 頭部包含了整個(gè) ICMP 數(shù)據(jù)段的校驗(yàn)和，具體格式如下

所有的 ICMP 報(bào)文都以 8 位的類(lèi)型(Type) 和代碼(Code) 字段開(kāi)始，其后的 16 位校驗(yàn)和涵蓋了整個(gè)報(bào)文，ICMPv4 和 ICMPv6 種的類(lèi)型和代碼字段是不同的。

ICMP 的主要消息

ICMP 目標(biāo)不可達(dá)(類(lèi)型 3)

我們知道，路由器無(wú)法將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給目標(biāo)地址時(shí)，會(huì)給發(fā)送端主機(jī)返回一個(gè)目標(biāo)不可達(dá)(Destination Unreachable Message) 的 ICMP 消息，并且會(huì)在消息中顯示不可達(dá)的具體原因。

實(shí)際通信過(guò)程中會(huì)顯示各種各樣的不可達(dá)信息，比如錯(cuò)誤代碼時(shí) 1 表示主機(jī)不可達(dá)，它指的是路由表中沒(méi)有主機(jī)的信息，或者主機(jī)沒(méi)有連接到網(wǎng)絡(luò)的意思。一些 ICMP 不可達(dá)信息的具體原因如下

ICMP 重定向消息(類(lèi)型 5)

如果路由器發(fā)現(xiàn)發(fā)送端主機(jī)使用了次優(yōu)的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)，那么它會(huì)返回一個(gè) ICMP 重定向(ICMP Redirect Message) 的消息給這個(gè)主機(jī)。這個(gè) ICMP 重定向消息包含了最合適的路由信息和源數(shù)據(jù)。這種情況會(huì)發(fā)生在路由器持有更好的路由信息的情況下。路由器會(huì)通過(guò)這樣的 ICMP 消息給發(fā)送端主機(jī)一個(gè)更合適的發(fā)送路由。

主機(jī) Host 的 IP 地址為 10.0.0.100。主機(jī)的路由表中有一個(gè)默認(rèn)路由條目，指向路由器 G1 的 IP 地址 10.0.0.1 作為默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。路由器 G1 在將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的網(wǎng)絡(luò) X 時(shí)，會(huì)使用路由器 G2 的 IP 地址 10.0.0.2 作為下一跳。

當(dāng)主機(jī)向目的網(wǎng)絡(luò) X 發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)發(fā)生以下情況

IP 地址為 10.0.0.1 的網(wǎng)關(guān) G1 在其所連接的網(wǎng)絡(luò)上接收來(lái)自 10.0.0.100 的數(shù)據(jù)包。

網(wǎng)關(guān) G1 檢查其路由表，并在通往數(shù)據(jù)包目的網(wǎng)絡(luò) X 的路由中獲取下一個(gè)網(wǎng)關(guān) G2 的 IP 地址 10.0.0.2。

如果 G2 和 IP 數(shù)據(jù)包的源地址標(biāo)識(shí)的主機(jī)位于同一網(wǎng)絡(luò)中(也就是 Host 主機(jī))，那么 G1 會(huì)向主機(jī)發(fā)送 ICMP 重定向消息。ICMP 重定向消息建議主機(jī)直接將發(fā)送到網(wǎng)絡(luò) X 的數(shù)據(jù)包發(fā)送至 G2，因?yàn)?Host - G2 這是通往目的地的較短路徑。

網(wǎng)關(guān) G1 將原始數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其目的地。

當(dāng)然，根據(jù)主機(jī)的配置，Host 主機(jī)也可以選擇忽略 G1 給它發(fā)送的 ICMP 重定向消息。但是，這樣就享受不到 ICMP 重定向帶來(lái)的兩大好處，即

• 優(yōu)化數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)路徑；流量更快到達(dá)目的地降低網(wǎng)絡(luò)資源利用率，例如帶寬和路由器 CPU 負(fù)載

如果 Host 主機(jī)采用了 ICMP 提供的重定向路徑的話，那么 Host 就會(huì)直接把數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò) X，如下圖所示

在主機(jī)為 G2 作為下一跳的網(wǎng)絡(luò) X 創(chuàng)建路由緩存條目后，這些優(yōu)勢(shì)在網(wǎng)絡(luò)中可見(jiàn)：

• 交換機(jī)和路由器 G1 之間鏈路的帶寬利用率在兩個(gè)方向上都會(huì)降低由于從主機(jī)到網(wǎng)絡(luò) X 的流量不再流經(jīng)此節(jié)點(diǎn)，因此路由器 G1 的 CPU 使用率降低主機(jī)和網(wǎng)絡(luò) X 之間的端到端網(wǎng)絡(luò)延遲得到改善。

ICMP 重定向示例如下

ICMP 超時(shí)消息(類(lèi)型 11)

在 IP 數(shù)據(jù)包中有一個(gè)叫做 TTL(Time To Live, 生存周期) ，它的值在每經(jīng)過(guò)路由器一跳之后都會(huì)減 1，IP 數(shù)據(jù)包減為 0 時(shí)會(huì)被丟棄。此時(shí)，IP 路由器會(huì)發(fā)送一個(gè) ICMP 超時(shí)消息(ICMP TIme Exceeded Message, 錯(cuò)誤號(hào) 0)發(fā)送給主機(jī)，通知該包已經(jīng)被丟棄。

設(shè)置生存周期的主要目的就是為了防止路由器控制遇到問(wèn)題發(fā)生循環(huán)狀況時(shí)，避免 IP 包無(wú)休止的在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)，如下圖所示

這里給大家推薦一款比較好用的追蹤超時(shí)消息的工具 traceroute，它可以顯示出由執(zhí)行程序的主機(jī)到達(dá)特定主機(jī)之前需要經(jīng)過(guò)多少路由器。traceroute 的官網(wǎng)如下 http://www.traceroute.org

ICMP 回送消息(類(lèi)型 0 和 類(lèi)型 8)

ICMP 回送消息用于判斷相互通信的主機(jī)之間是否連通，也就是判斷所發(fā)送的數(shù)據(jù)包是否能夠到達(dá)目標(biāo)主機(jī)。可以向?qū)Χ酥鳈C(jī)發(fā)送回送請(qǐng)求的消息(ICMP Echo Request Message,類(lèi)型 8)，也可以接收對(duì)端主機(jī)發(fā)送來(lái)的回送消息(ICMP Echo Reply Message, 類(lèi)型 0 )。網(wǎng)絡(luò)上最常用的 ping 命令就是利用這個(gè)實(shí)現(xiàn)的。

其他 ICMP 消息

ICMP 原點(diǎn)抑制消息(類(lèi)型 4)

在使用低速率網(wǎng)絡(luò)的情況下，網(wǎng)絡(luò)通信可能會(huì)遇到網(wǎng)絡(luò)擁堵的情況下，ICMP 的原點(diǎn)抑制就是為了應(yīng)對(duì)這種情況的。當(dāng)路由器向低速線路發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，其發(fā)送隊(duì)列的殘存數(shù)據(jù)報(bào)變?yōu)?0 從而無(wú)法發(fā)送時(shí)，可以向 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的源地址發(fā)送一個(gè) ICMP 原點(diǎn)抑制(ICMP Source Quench Message) 消息，收到這個(gè)消息的主機(jī)了解到線路某處發(fā)生了擁堵，從而抑制 IP 數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送。

不過(guò)這個(gè) ICMP 消息可能會(huì)引起不公平的網(wǎng)絡(luò)通信，一般不被使用。

ICMP 路由器探索消息(類(lèi)型 9、10)

ICMP 路由器探索消息主要用于路由器發(fā)現(xiàn)(Router Discovery, RD)，它主要分為兩種，路由器請(qǐng)求(Router Solicitation, 類(lèi)型 10) 和路由器響應(yīng)(Router Advertisement, 類(lèi)型 9)。主機(jī)會(huì)在任意路由連接組播的網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送一個(gè) RS 消息，想要選擇一個(gè)路由器進(jìn)行學(xué)習(xí)，以此來(lái)作為默認(rèn)路由，而相對(duì)應(yīng)的該路由會(huì)發(fā)送一個(gè) RA 消息來(lái)作為默認(rèn)路由的響應(yīng)。

ICMP 地址掩碼消息(類(lèi)型 17、18)

主要用于主機(jī)或者路由器想要了解子網(wǎng)掩碼的情況。可以向那些目標(biāo)主機(jī)或路由器發(fā)送 ICMP 地址掩碼請(qǐng)求消息(ICMP Address Mask Request, 類(lèi)型 17) 和 ICMP 地址掩碼應(yīng)答消息(ICMP Address Mask Reply, 類(lèi)型 18) 獲取子網(wǎng)掩碼信息。

ICMPv6

ICMPv6 的作用

IPv4 中 ICMP 僅僅作為一個(gè)輔助作用支持 IPv4。也就是說(shuō)，在 IPv4 時(shí)期，即使沒(méi)有 ICMP，也能進(jìn)行正常的 IP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，也就是 IP 通信。但是在 IPv6 中，ICMP 的作用被放大了，如果沒(méi)有 ICMP，則不能進(jìn)行正常的 IP 通信。

尤其在 IPv6 中，從 IP 定位 MAC 地址的協(xié)議從 ARP 轉(zhuǎn)為 ICMP 的鄰居探索消息(Neighbor Discovery) 。這種鄰居探索消息融合了 IPv4 的 ARP、ICMP 重定向以及 ICMP 的路由選擇等功能于一體。甚至還提供了自動(dòng)設(shè)置 IP 的功能。

在 IPv6 中，ICMP 消息主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)是錯(cuò)誤消息，一類(lèi)是信息消息。0 - 127 屬于錯(cuò)誤消息；128 - 255 屬于信息消息。

RFC 2463 中描述了以下消息類(lèi)型：

ICMPv6 除了包含 ICMPv4 的所有功能外，還有兩個(gè)額外的功能。

ICMPv6 鄰居探索

鄰居探索是 ICMPv6 非常重要的功能，主要表示的類(lèi)型是 133 - 137 之間的消息叫做鄰居探索消息。這種鄰居探索消息對(duì)于 IPv6 通信起到舉足輕重的作用。鄰居請(qǐng)求消息用于查詢(xún) IPv6 地址于 MAC 地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系。鄰居請(qǐng)求消息利用 IPv6 的多播地址實(shí)現(xiàn)傳輸。

此外，由于 IPv6 實(shí)現(xiàn)了即插即用的功能，所以在沒(méi)有 DHCP 服務(wù)器的環(huán)境下也能實(shí)現(xiàn) IP 地址的自動(dòng)獲取。如果是一個(gè)沒(méi)有路由器的網(wǎng)絡(luò)，就使用 MAC 地址作為鏈路本地單播地址。如果在一個(gè)有路由器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以從路由器獲得 IPv6 地址的前面部分，后面部分使用 MAC 地址進(jìn)行設(shè)置。此時(shí)可以利用路由器請(qǐng)求消息和路由器公告消息進(jìn)行設(shè)置。

ICMPv6 的組播收聽(tīng)發(fā)現(xiàn)協(xié)議

組播收聽(tīng)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（MLD，Multicast Listener Discovery）由子網(wǎng)內(nèi)的組播成員管理。MLD 協(xié)議定義了3條ICMPv6 消息：

• 組播收聽(tīng)查詢(xún)消息：組播路由器向子網(wǎng)內(nèi)的組播收聽(tīng)者發(fā)送此消息，以獲取組播收聽(tīng)者的狀態(tài)。組播收聽(tīng)者報(bào)告消息：組播收聽(tīng)者向組播路由器匯報(bào)當(dāng)前狀態(tài)，包括離開(kāi)某個(gè)組播組。組播收聽(tīng)者。

與 ICMP 有關(guān)的攻擊

涉及 ICMP 攻擊主要分為 3 類(lèi)：泛洪(flood)、炸彈(bomb) 和信息泄露(information disclsure)。

• 泛洪將會(huì)產(chǎn)生大量流量，導(dǎo)致針對(duì)一臺(tái)或者多臺(tái)計(jì)算機(jī)的有效 Dos 攻擊。炸彈指的是發(fā)送經(jīng)過(guò)特殊構(gòu)造的報(bào)文，這類(lèi)報(bào)文能夠?qū)е?IP 或者 ICMP 的處理失效或者崩潰。信息泄露本身不會(huì)造成危害，但是能夠幫助輔助其他攻擊。

針對(duì) TCP 的 ICMP 攻擊已經(jīng)記錄在了 RFC5927 中。