【TCP/IP】6. 差错与控制报文协议

6. 差错与控制报文协议

6.1 概述

因特网控制报文协议（ICMP）是 IP 层的核心补充协议，主要用于实现 IP 层的差错报告、拥塞控制、路径控制及网络设备信息获取。

• 与 IP 的关系：和 IP 同属网络层，ICMP 报文需封装在 IP 数据报的数据部分传输（IP 首部协议字段为 “1”）。
• IP 层差错控制特点：
  1. 主要解决 “信宿不可达” 问题，因信宿无法直接参与控制，不采用端到端方式；
  2. 仅处理与路径和可达性相关的差错，不解决数据本身的差错；
  3. 差错与控制功能由 ICMP 独立完成，IP 协议不负责；
  4. 控制信息通过 “主动询问” 和 “被动接收报告” 两种方式获取。

6.2 因特网控制报文协议（ICMP）

• 设计初衷：最初用于 IP 层差错报告，由路由器或信宿向信源一对一报告传输错误原因。
• 扩展功能：随网络发展，新增检测和控制功能，目前可传输差错报告、控制报文及设备信息查询报文。
• 核心作用：作为 IP 协议的补充，实现 IP 层的差错处理、拥塞 / 路径控制及路由器 / 主机信息获取。

6.3 ICMP 报文格式与类型

6.3.1 报文基本格式

ICMP 报文由首部（定长 8 字节）和数据段组成，格式如下：

字段	长度（字节）	含义
类型（TYPE）	1	指示 ICMP 报文的类型（如差错报告、控制、请求 / 应答等）。
代码（CODE）	1	进一步细化报文类型（如同一类型下的不同错误原因）。
校验和	2	对整个 ICMP 报文进行校验（计算方式与 IP 数据报一致）。
首部其他部分	4	随报文类型变化：差错报告报文多未使用（填 0）；参数错报文用 1 字节作指针；请求 / 应答报文用于匹配请求与应答。
数据段	可变	差错报告时，携带原始出错数据报的首部及前 64 位数据（含关键信息，如上层协议首部）；请求 / 应答时，携带相关额外信息。

6.3.2 报文类型分类

ICMP 报文分为三大类：

类别	功能	典型报文
差错报告	向信源报告数据报传输中的错误	信宿不可达、超时、参数错
控制报文	实现拥塞控制和路径优化	源抑制、重定向
请求与应答报文对	主动查询设备信息并获取应答	回应请求与应答、时间戳请求与应答等

6.4 ICMP 差错报告

ICMP 差错报告用于向信源通知数据报传输中的错误，仅报告错误不纠正，由发现错误的设备（路由器或信宿）向信源发送。

6.4.1 差错报告特点

1. 只报告差错，纠错由上层协议处理；
2. 仅向信源报告（不向中间路由器或信宿）；
3. 作为普通数据传输，无优先级和可靠性保障；
4. 发送差错报告的同时，会丢弃出错的 IP 数据报。

6.4.2 差错报告例外情况

以下场景不产生 ICMP 差错报告：

1. ICMP 差错报文本身（避免无限循环）；
2. 分片报文的非第一个分片；
3. 组播地址报文；
4. 特殊地址（127.0.0.0/8、0.0.0.0）的报文。

6.4.3 具体差错报告类型

1. 信宿不可达报告（类型 = 3）

   • 触发场景：路由器无法转发数据报，或主机无法向上层协议 / 端口提交数据报。

   • 代码及含义（共 16 种，部分典型如下）：

     代码	描述	产生者
     0	网络不可达（路由表错误或目的地址无效）	路由器
     1	主机不可达（信宿未运行或不存在，网络可达）	路由器 / 信宿
     2	协议不可达（上层协议未运行，网络和主机可达）	信宿
     3	端口不可达（对应端口的应用未运行，网络、主机、协议可达）	信宿
     4	数据报无法分片（DF 位 = 1 且超过 MTU）	路由器

   • 报文格式：数据段含出错数据报首部及前 64 位数据，类型 = 3，代码 = 对应错误编号。

2. 数据报超时报告（类型 = 11）

   • 触发场景：
     • TTL 超时：路由器收到 TTL=0 的数据报（类型 = 11，代码 = 0）；
     • 分片重组超时：信宿重组分片时定时器超时（类型 = 11，代码 = 1）。
   • 处理：丢弃数据报，向信源发送超时报告。

3. 数据报参数错报告（类型 = 12）

   • 触发场景：数据报首部字段值无效或缺少必要选项参数。

   • 代码及含义：

     代码	描述	细节
     0	IP 首部参数错	首部某字段值无效，ICMP 首部指针指向出错字节
     1	缺少选项所需参数	首部选项不完整，无指针字段

6.5 ICMP 控制报文

ICMP 控制报文用于实现拥塞控制和路径优化，主要包括源抑制报文和重定向报文。

6.5.1 源抑制报文（类型 = 4，代码 = 0）

• 功能：解决无连接传输中因缺乏流量控制导致的拥塞（缓冲区溢出），通过减缓信源发送速率实现控制。
• 工作阶段：
  1. 发现拥塞：路由器或信宿监测到缓冲区溢出，向信源发送源抑制报文（携带出错数据报首部信息）；
  2. 解决拥塞：信源收到报文后，降低发往该信宿的数据报传输速率；
  3. 恢复阶段：拥塞解除后，信源逐渐恢复传输速率。
• 注意事项：
  • 信源按自身时间段响应抑制，不逐报文处理；
  • 拥塞解除由信源通过 “是否继续收到抑制报文” 判断；
  • 多源并发拥塞时，抑制效果可能有限。

6.5.2 重定向报文（类型 = 5）

• 功能：优化主机路由表，由路由器通知主机 “去往某信宿的最佳下一跳路由器”。

• 触发场景：主机选择的下一跳路由器不是最佳路径，该路由器转发数据报的同时，向主机发送重定向报文。

• 代码及含义：

  代码	描述
  0	网络重定向（基于网络地址）
  1	主机重定向（基于主机地址）
  2	基于服务类型（TOS）的网络重定向
  3	基于服务类型（TOS）的主机重定向

• 报文格式：数据段含出错数据报首部及前 64 位数据，携带 “最佳下一跳路由器 IP 地址”。

• 注意事项：

  1. 不丢弃原数据报（仍转发）；
  2. 仅由同一网络的路由器发送给主机；
  3. 源路由选项存在时，不产生重定向（源路由优先于最佳路径）。

6.6 ICMP 请求与应答报文对

此类报文通过 “请求 - 应答” 模式主动获取设备信息，用于网络检测和配置。

6.6.1 回应请求与应答报文（类型 = 8/0，代码 = 0）

• 功能：测试主机或路由器的可达性，验证 IP 协议工作状态（对应 ping 命令）。
• 报文格式：
  • 回应请求（类型 = 8）：含 “标识符”（发起进程 ID）和 “序列号”（累加值，用于匹配请求与应答）；
  • 回应应答（类型 = 0）：复制请求报文的标识符和序列号，数据段与请求一致。
• 工作流程：信源发送请求，信宿收到后返回应答，信源通过应答判断可达性。

6.6.2 时间戳请求与应答报文（类型 = 13/14，代码 = 0）

• 功能：实现设备间时钟同步，计算时钟差异。

• 报文格式：含 3 个 32 位时间戳字段（以毫秒为单位，从世界时间午夜 0 点计时）：

  • 初始时间戳：请求方发送请求的时间（请求报文填写，应答报文复制）；
  • 接收时间戳：应答方收到请求的时间（应答报文填写）；
  • 发送时间戳：应答方发送应答的时间（应答报文填写）。

• 时钟同步计算：

  • 往返延迟 = 当前时间（接收应答时） - 初始时间戳 -（发送时间戳 - 接收时间戳）；
  • 单程时延 = 往返延迟 ÷ 2；
  • 时间差 = 接收时间戳 -（初始时间戳 + 单程时延）。

• 示例：

  主机 A 初始时间戳 = 1000ms，主机 B 接收时间戳 = 1055ms，发送时间戳 = 1057ms，主机 A 接收应答时间 = 1030ms：

  • 往返延迟 = 1030-1000-(1057-1055)=28ms；
  • 单程时延 = 14ms；
  • 时间差 = 1055-(1000+14)=41ms（主机 B 时钟比 A 快 41ms）。

6.6.3 地址掩码请求与应答报文（类型 = 17/18，代码 = 0）

• 功能：主机获取子网掩码（已被 DHCP 协议替代，RFC 6918 建议不再使用）。
• 报文格式：
  • 请求（类型 = 17）：地址掩码字段为 0；
  • 应答（类型 = 18）：地址掩码字段填写子网掩码。

6.6.4 路由器请求与通告报文（类型 = 10/9，代码 = 0）

• 功能：主机获取默认路由器 IP 地址，检测路由器活性（现扩展用于移动 IP 的代理发现）。
• 工作流程：
  • 主机启动后广播 / 组播 “路由器请求”（类型 = 10）；
  • 路由器以 “路由器通告”（类型 = 9）应答，定期主动广播 / 组播通告。
• 通告报文格式：
  • 含 “地址数”（路由器 IP 地址数量）、“地址项大小”（每个地址项占 2 个 32 位字）、“生存期”（地址有效时间）；
  • 数据段为多个地址项（路由器 IP 地址 + 优先级，优先级 0 为默认路由，0x80000000 不可作为默认路由）。

6.7 ICMP 报文封装

• 向下封装：ICMP 报文作为数据部分封装在 IP 数据报中，IP 首部协议字段设为 “1”（标识 ICMP）。
• 向上处理：IP 层接收含 ICMP 报文的 IP 数据报后，将其提交给 ICMP 模块处理（生成应答或交上层应用）。

本章要点

• ICMP 是 IP 层的补充协议，用于差错报告、控制及信息获取，报文封装在 IP 数据报中（协议字段 = 1）。
• 差错报告包括信宿不可达（类型 3）、超时（类型 11）、参数错（类型 12），仅向信源报告，不纠正错误。
• 控制报文包括源抑制（拥塞控制，类型 4）和重定向（路径优化，类型 5），源抑制分发现、解决、恢复三阶段，重定向由路由器更新主机路由表。
• 请求与应答报文对包括回应请求 / 应答（ping，类型 8/0）、时间戳请求 / 应答（时钟同步，类型 13/14）、地址掩码请求 / 应答（已被 DHCP 替代，类型 17/18）、路由器请求 / 通告（获取默认路由，类型 10/9）。
• ICMP 报文格式固定为 8 字节首部 + 可变数据段，类型和代码字段区分报文功能。