level-ip之ping命令处理

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level-ip之ping命令处理

阅读本文需要对level-ip的整体架构有所了解,如果读者尚未接触过level-ip,请先阅读下面文章:

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请根据上述文章中的指引获取leve-ip的全部源码,并且尝试在任意Linux发行版本上编译运行。

知识回顾

在前面的文章中,我们已经介绍了ip数据包的封装接口,其中主要是以下几个接口:

  • route_init():路由表的初始化

  • ip_rcv():发送以太网帧数据

  • ip_output():发送以太网帧数据 这几个接口是我们封装IP数据接口的基础,最好还是先搞明白原理。

ICMP 协议的格式

无论是在宿舍,还是在办公室,或者运维一个数据中心,我们常常会遇到网络不通的问题。那台机器明明就在那里,你甚至都可以通过机器的终端连上去看。它看着好好的,可是就是连不上去,究竟是哪里出了问题呢?一般情况下,你会想到 ping 一下。

那你知道 ping 是如何工作的吗?

ping 是基于 ICMP 协议工作的。ICMP全称Internet Control Message Protocol,就是互联网控制报文协议。

网络包在异常复杂的网络环境中传输时,常常会遇到各种各样的问题。当遇到问题的时候,总不能“死个不明不白”,要传出消息来,报告情况,这样才可以调整传输策略。这就相当于我们经常看到的电视剧里,古代行军的时候,为将为帅者需要通过侦察兵、哨探或传令兵等人肉的方式来掌握情况,控制整个战局。ICMP 报文是封装在 IP 包里面的。因为传输指令的时候,肯定需要源地址和目标地址。它本身非常简单。因为作为侦查兵,要轻装上阵,不能携带大量的包袱。

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从而我们可以确定,ICMP是在ip协议之上的传输层协议,如下图:

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ICMP 报文有很多的类型,不同的类型有不同的代码。最常用的类型是主动请求为 8,主动请求的应答为 0。

构造ICMP 报文

接下来,我们使用结构体来定义ICMP 报文,该结构体定义在level-ip的include/icmpv4.h文件中:

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查询报文类型

我们经常在电视剧里听到这样的话:主帅说,来人哪!前方战事如何,快去派人打探,一有情况,立即通报!

这种是主帅发起的,主动查看敌情,对应 ICMP 的查询报文类型。例如,常用的ping 就是查询报文,是一种主动请求,并且获得主动应答的 ICMP 协议。所以,ping 发的包也是符合 ICMP 协议格式的,只不过它在后面增加了自己的格式。

对 ping 的主动请求,进行网络抓包,称为ICMP ECHO REQUEST。同理主动请求的回复,称为ICMP ECHO REPLY。比起原生的 ICMP,这里面多了两个字段,一个是标识符。这个很好理解,你派出去两队侦查兵,一队是侦查战况的,一队是去查找水源的,要有个标识才能区分。另一个是序号,你派出去的侦查兵,都要编个号。如果派出去 10 个,回来 10 个,就说明前方战况不错;如果派出去 10 个,回来 2 个,说明情况可能不妙。

在选项数据中,ping 还会存放发送请求的时间值,来计算往返时间,说明路程的长短。

当前,ICMP还有差错报文类型,适合在遇到各种网络故障时使用,我们这里暂不介绍。

ping:查询报文类型的使用

接下来,我们重点来看 ping 的发送和接收过程

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  • 主机A执行ping 命令的时候,源主机首先会构建一个 ICMP 请求数据包,ICMP 数据包内包含多个字段。最重要的是两个,第一个是类型字段,对于请求数据包而言该字段为 8;另外一个是顺序号,主要用于区分连续 ping 的时候发出的多个数据包。每发出一个请求数据包,顺序号会自动加 1。为了能够计算往返时间 RTT,它会在报文的数据部分插入发送时间。

  • 主机 B 收到这个数据帧后,先检查它的目的 MAC 地址,并和本机的 MAC 地址对比,如符合,则接收,否则就丢弃。接收后检查该数据帧,将 IP 数据包从帧中提取出来,交给本机的 IP 层。同样,IP 层检查后,将有用的信息提取后交给 ICMP 协议。主机 B 会构建一个 ICMP 应答包,应答数据包的类型字段为 0,顺序号为接收到的请求数据包中的顺序号,然后再发送出去给主机 A。

关于IP层数据收发和MAC层的数据收发已经在前面给大家分析过了,这里不再讲解,我们重点关注IP数据包递交给ICMP层的过程。

ICMP数据接收接口

ICMP数据接收接口为icmpv4_incoming()函数。该函数在以太网数据帧读取接口ip_rcv()函数中调用。我们来了解一下这个函数,如下图:

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第4行:从ip数据包中获取icmp报文

第8行:判断icmp的报文类型,如果是查询报文,则调用icmpv4_reply()函数

ICMP数据发送接口

ICMP数据发送接口为icmpv4_reply()函数,当level-ip协议栈接受到icmp查询类型报文后,会调用该接口进行ICMP数据回复。如下图:

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第3行:获取ip数据包首部

第8行:用ip数据包的总长度-ip首部长度,得到icmp包总长度

第10行:把sk_buff数据包指针移动到有效数据结束

第11行:把sk_buff数据包指针移动从有效数据的尾巴向前移动icmp包总长度

第13行:获取icmp数据包

第15行:修改icmp协议类型为应答类型

第16行:把类型字段修改为0,表示ping应答

第17行:修改校验数据

第20行:设置目标主机ip

第22行:调用ip数据发送接口,进行icmp数据包发送

总结

通过我们这边文章,我们已经明白了ICMP协议的报文结构,并且对ping命令的处理过程有了一个源码级别的了解。

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END

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