01 計算機網路體系結構中的ping
ping是Windows、Unix、Linux等作業系統提供的一個常用的網路管理命令，用於檢查網路的連通性，幫助分析和判定網路故障。
一個ping的請求和響應，串聯起多個網路協議，可能途經了多個主機和路由器
ping在計算機網路體系結構中歸屬應用層，越過運輸層直接使用IP層的ICMP協議，傳送“回送請求”報文給目標主機，接收目標主機返回的“回送回答”報文並顯示在源主機上。
ping是把網路協議應用到日常網路管理的典型例項。
計算機網路的體系結構
02 ping的執行流程
ping命令的執行流程見下圖。
正常執行流程可以簡要描述為：ping命令接收一個IP地址或一個網路域名，如果是域名會將域名轉換為IP地址。
判斷被ping的目標主機和源主機是否在一個網路上，如果不在一個網路上，則查詢路由表，找到通往目標網路的路由器IP地址或預設閘道器IP地址。
查詢本地主機ARP表中是否有該IP對應的MAC地址；如果沒有，則透過廣播詢問該IP的MAC地址；本網路中的主機、路由器都會接收到該詢問報文。
擁有該IP地址的本地裝置回覆應答報文，將該IP對應的MAC地址發給源主機。
為了減少本地廣播，本地主機、三層路由器或路由器會適時更新自己的本地ARP表，儲存本地IP地址和MAC地址的對應關係。
知道了下一步報文要發往的MAC地址，ping命令使用ICMP協議封裝含有對端MAC地址的IP資料報交給交換機，交換機查詢自己的MAC與port埠對應表，將資料包傳給對應埠的主機。
下面的流程只畫了本機流程，交換機和路由器的流程沒有畫出，源主機資訊傳送到交換機之後，交換機和路由器根據IP資料報相關資訊再一步一步的向前查詢目標主機，源主機只需要等待回送回答報文。
ping命令的執行流程圖
03 ping命令涉及的網路協議
ping是ICMP網際控制報文協議的一個重要應用，因此ping涉及的最重要的一個協議是ICMP。
在ping執行過程中會觸發一系列動作，會附帶呼叫其他一些協議功能，完成源主機和目標主機的請求和應答。
DNS
：域名系統（Domain Name System），TCP/IP協議中應用層協議，用於解析域名和IP地址。
ICMP
：網際控制報文協議（Internet Control Message Protocol）。用於在IP主機、路由器之間傳遞控制資訊。
例如檢測網路連通性、主機的可達性。不傳輸使用者資料，只傳輸控制資訊。ICMP的資料要封裝在IP資料報中進行傳輸。
IGMP
：網際組管理協議（Internet Group Management Protocol），該協議執行在主機和組播路由器之間。
組播和廣播的區別很簡單，組播是通知部分人知道的傳播形式，而廣播是通知到所有人。
IP ：網際協議或網際網路協議（Internet Protocol）。IP協議位於TCP/IP協議的網路層，ICMP、IGMP及以上層級的報文都要經過IP協議轉換封包成IP資料包向下傳送。
ARP
：地址解析協議（Address Resolution Protocol），是根據IP地址獲取物理地址的一個TCP/IP協議。
04 ping 抓包準備
家用無線路由器兩臺，R1和R2。用於組建簡單的網路供測試使用。
電腦主機兩臺A和B，透過抓取主機網路介面卡上進進出出的資料，瞭解網路協議和網路行為。
下載網路抓包軟體，安裝在兩臺電腦主機上。例如Wireshark，是一個免費的開源工具，本次測試使用該工具。
05 區域網ping主機時抓包及分析
將無線路由器降級為交換機使用，透過無線路由器的LAN介面連線兩臺電腦主機，系統連線和IP設定如下圖所示。
簡單的區域網環境
主機A和主機B正常開啟，允許ICMP協議分組透過。
B ping A 的截圖如下。
ping目標主機時抓取的網路資料包
分析上圖的執行時序發現，ping動作完成之後，兩臺主機又互相確認了一下各自的IP地址和MAC地址，再次確認各自ARP表中資料的正確性。
這種詢問和廣播的頻率需要確定一個合適的值，確保資料不過時又不會特別頻繁。
刪掉主機B的ARP快取資料，再進行正常的ping操作。從下圖執行時序可以看出，主機B的ARP快取中沒有主機A的IP地址對應的MAC地址記錄，主機B需要先ARP廣播，查詢到主機A的MAC地址。
得到主機A的MAC地址後，B主機再發ICMP報文給A主機並等待回覆報文。
C>arp –d 該命令用於刪除ARP快取資料
C>ping 192。168。1。122
刪除ARP快取資料後，再抓包，出現了ARP協議，廣播查詢MAC地址
執行過一次後ARP表建立起來了，再ping時直接就ICMP了。最後互相再確認一下彼此的地址，保證自己的ARP表正確。
ARP快取資料建立後，再抓包發現不需要首先請求MAC地址了
主機A和主機B正常開啟，允許ICMP協議包。A ping B 的截圖如下。可見，正常ping通後，A和B又互相確認了一下對方的MAC地址。
為了保證本地ARP快取準確，ARP還是經常要詢問和應答IP和MAC的對應關係的啊
主機A開啟，主機B關閉。
A ping B：即192。168。1。120 ping 192。168。1。122
此時必然ping不通，返回請求超時，無法訪問目標主機的錯誤報文。
ping已經關閉的本地主機，當然ping不通，請求超時
ping的同時，在主機A的網路介面處開始抓包，由於網路資料太多，下圖篩選出ARP和ICMP協議，對照檢視時可以透過Time欄位或No欄位的值確定網路數包出現先後順序。
可猜測：主機A直接給B發ICMP資料包，沒有收到回覆資訊；之後A給B發ARP地址解析請求，詢問B的MAC地址；多次詢問沒有返回應答報文後，B發廣播資訊查詢對應MAC地址。
給對應主機發ARP地址解析請求，一直得不到響應，改為廣播發送資訊
主機A和主機B正常開啟，A透過防火牆設定禁止ICMP分組透過
。B ping A 的截圖如下。請求超時，ping不通。
設定ICMP過濾後，ping對應的主機，返回請求超時的錯誤
ping的同時，抓包主機B的網絡卡資料，發現：ping不通之後詢問A的MAC地址，A能回答自己的MAC地址，回答後繼續ping，因為A過濾了ICMP分組，還是PING不通。
猜測，主機B禁止ICMP分組透過，但可能ARP協議還是可以執行的。
設定了ICMP過濾的主機，好像還能響應ARP請求
06 跨網段抓包及分析
兩臺無線路由器及電腦的連線、IP設定如下圖。
搭建跨網段的環境
跨網段ping目標主機。主機A 192。168。2。100 ping 主機B 192。168。1。110， 兩臺主機正常開機，允許ICMP分組透過。
透過檢視，可以瞭解ping的過程中執行了哪些網路協議。可以對應去學習和了解這些協議的原理和用法。
跨網段ping目標主機時，抓取的網路資料包
07 ping公網域名，抓包網路資料
主機A 192。168。2。100 ping 新浪主頁sina。com。cn ，見下圖。首先DNS進行域名解析，得到其IP地址，再選擇合適的路由或者閘道器將ping的資料包發出去。
ping公網域名時，報文中出現了域名解析DNS的請求報文
08幾個重要概念
主機中的ARP表
快取IP地址和MAC地址的對應關係。透過網路協議自動維護。
也可以使用arp命令顯示ARP表的內容，可以刪除ARP的表項，可以增加對應關係到表中。arp –help可以檢視arp命令的詳細用法。
arp命令的幫助資訊
主機中的路由表
路由表在系統執行中由網路選擇協議自動維護，也可以透過route命令檢視、新增、修改、刪除路由資訊。
路由分靜態路由和動態路由兩種。路由表項由6個欄位組成。
destination：目的地址，用來標識IP包的目的地址或者目的網路。
mask：子網掩碼，與目的地址一起標識目的主機或者路由器所在的網段的地址。
pre：優先順序。到達一個目的地可能有多條路徑，優先使用優先順序高的路徑。
cost：路由開銷，有多個路徑可以到達目的地，標識每條路徑的開銷，開銷最小的是最優路徑。
interface：輸出介面，說明IP包走該該路徑時，從該路由器這個網路介面轉發。
nexthop：下一跳的IP地址，說明IP包所經過的下一個路由器。
route –help 可以檢視route命令的詳細用法。
route命令的幫助資訊
交換機中的ARP表
二層交換機中只有MAC-PORT對應關係表；三層交換機具有路由功能，使用ARP表記錄IP、MAC和port的對應關係。網路協議可以自動維護該對應關係表。
交換機中的 MAC表
二層交換機使用MAC-PORT對應關係表，記錄MAC地址、埠號、VLAN 號。網路協議可以自動維護該對應表。
路由器中的路由表
每個路由器中都有一個路由表和FIB（Forward Information Base）表，路由表用來決策路由，FIB用來轉發分組。
路由器中的路由表和主機中的路由表相似。
FIB表指定分組到哪個路由器的哪個物理介面傳送；或者不再經過其他路由器，直接傳送到直接相連的網路中的目的主機。
09抓包軟體的簡單介紹
Wireshark是一個免費的網路封包分析軟體。計算機網路協議學習起來很抽象，看不見摸不著。
Wireshark可以抓包網路資料，按照時間順序直觀、具體的呈現出網路行為，對於學習計算機網路和網路協議很有幫助。
抓包可以看到一系列的網路協議，直觀感受網路協議的存在，可以根據網路協議的出現頻率，有選擇性的優先理解和學習相關協議。
wireshark功能很豐富，可以選擇捕獲介面，可以使用捕獲過濾器，可以使用顯示過濾器。具體內容可以查閱相關文件。
下圖是wireshark開始介面，主要用來選擇捕獲哪個介面的網路資料。一臺計算機可能有有線網絡卡、無線網絡卡；實體網絡卡、虛擬網絡卡等等。
在此處指定網路介面，wireshark將得到該網路介面卡的所有進進出出的資料。
wireshark的主介面，選擇要抓包哪個網路介面的進進出出的資料
下圖中有開始按鈕、停止按鈕。透過網路介面卡的資料很多，在該介面中最重要的是要使用“應用顯示過濾器”，選擇自己感興趣的內容。
執行抓包的介面，可以啟動、停止抓包；可以使用抓包過濾器和顯示過濾器
10遺憾
主要關注了流程，資料包裡面具體資訊沒有展開描述，具體資料包中的各種標誌位、控制資訊、資料資訊等等才能完整準備的描述對應協議。
沒有條件抓取交換機和路由器上的資料包，條件具備後再做完整的測試進行補充。