Ping原理详解

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前言

Ping是排除设备访问故障的常见方法。它使用Internet控制消息协议ICMP(Internet Control Message Protocol)确定以下内容：

• 远程设备是否处于可访问状态。

• 访问远程设备时是否丢失报文。

• 本端与远程设备之间通信的往返延迟。

Ping原理

现在以一个实例来说明Ping的实现过程。

如下图所示，PC1想要Ping通PC2，即Ping 11.1.1.2。

1. PC1的Ping程序生成一个ICMP请求报文。

2. 1. 如果PC1没找到下一跳，则得不到下一跳的IP，也得不到下一跳的MAC地址，以太帧头无法进行封装，于是PC1就Ping不通PC2。

   2. 如果PC1找到了下一跳，得到了下一跳的IP，但此时还不知道下一跳的MAC地址，故PC1要发送ARP广播请求。

   3. ICMP报文沿协议栈向下传输到IP层，封装IP头，包含源地址IP与目的地址IP。

      在此封装过程中，IP层已经根据IP地址和掩码判断出了源IP与目的IP不属于同一网段。

   4. 1. ICMP报文再向下传到链路层，准备进行以太帧头的封装，但由于无法知道目的MAC地址，暂时无法进行封装。

      2. 由于已经知道了源IP与目的IP不属于同一网段，故PC1要查找FIB表，找自己的下一跳。

3. 下一跳（Switch a口10.1.1.2/24）收到此请求以后，发现请求所对应的IP地址是自己，于是回复一个ARP单播应答给PC1，此应答包含了10.1.1.2/24所对应的MAC地址。

4. PC1此时已经收到ARP应答，得到了下一跳的MAC地址，进行以太帧头的封装，然后将数据报发送给Switch。

   当PC1向Switch发送ARP请求时，将自己的IP地址到物理地址的映射写入ARP请求中。当Switch收到PC1的ARP请求后，Switch就将PC1的这一映射写入到了自己的ARP缓存中。这是因为以后很可能Switch也要向PC1进行数据传送，为了以后彼此通信的方便，避免总是发送ARP请求及应答，减少网络上的通信。

5. Switch收到数据报文后，剥掉以太帧头，上送到IP层，发现IP首部中的目的IP地址11.1.1.2/24不是自己，需要转发，故查找自己的路由表，重新进行数据报文的封装。

   当封装到以太帧头时，发现目的MAC地址（11.1.1.2/24对应的MAC地址）未知，故Switch也要发送ARP广播请求。

6. PC2收到此请求以后，发现请求所对应的IP地址是自己，于是回复一个ARP单播应答给Switch，此应答包含了11.1.1.2/24所对应的MAC地址。

   与前面Switch学习PC1的ARP映射一样，PC2也相应地在自己的ARP缓存中记录了Switch b口的IP地址到物理地址的映射。

7. Switch此时已经收到ARP应答，得到了PC2的MAC地址，进行以太帧头的封装。然后将数据报发送给PC2。

8. PC2收到此数据报文后，拆封以太帧头，拆封IP首部后发现是个ICMP请求报文，于是会回复一个ICMP应答报文给PC1。此时的源IP地址变成了PC2的IP地址11.1.1.2/24，目的IP地址变成了PC1的IP地址10.1.1.1/24。

   由于目的IP与源IP不在同一网段，所以PC2也要查找FIB表，经查找得知下一跳为Switch b口11.1.1.1/24。如前所述，PC2的ARP缓存中已经记录了Switch b口的映射信息，故不需要再向Switch发送ARP请求，直接在ARP缓存中读到Switch 11.1.1.1/24的MAC地址进行封装，将数据包发给Switch。

   同理Switch也不需要向PC1发送ARP请求，直接在自己的ARP缓存中读到PC1的MAC地址，将数据报文转发给PC1。

9. PC1收到数据报文后，逐层拆封以太帧头、IP首部，得到ICMP应答报文，显示Ping通。

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