網路基本功（十四）：細說診斷工具ping
來自專欄計算機網路學習筆記
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介紹
ping的工作原理很簡單，一台網路設備發送請求等待另一網路設備的回復，並記錄下發送時間。接收到回復之後，就可以計算報文傳輸時間了。只要接收到回復就表示連接是正常的。耗費的時間喻示了路徑長度。重複請求響應的一致性也表明了連接質量的可靠性。因此，ping回答了兩個基本的問題：是否有連接？連接的質量如何？本文主要討論這兩個問題。
更多信息
正常的ping操作主要是兩個特定的ICMP消息，ECHO_REQUEST和ECHO_REPLY。理論上，所有TCP/IP網路設備都應當通過返回報文來響應ECHO_REQUEST，但實際上並不總是如此。
ping的解析:
大多數操作系統版本，會一直發送ECHO_REQUESTs，直到中斷為止。例如：
bsd1# ping www.bay.comPING www.bay.com (204.80.244.66): 56 data bytes64 bytes from 204.80.244.66: icmp_seq=0 ttl=112 time=180.974 ms64 bytes from 204.80.244.66: icmp_seq=1 ttl=112 time=189.810 ms64 bytes from 204.80.244.66: icmp_seq=2 ttl=112 time=167.653 ms^C--- www.bay.com ping statistics ---3 packets transmitted, 3 packets received, 0% packet lossround-trip min/avg/max/stddev = 167.653/179.479/189.810/9.107 msbsd1#
這一過程被Ctrl-C中斷，此時列印出匯總統計。
上述結果中，針對每一個報文的回復給出了報文大小，來源，ICMP sequence number，TTL值，以及往返時間。其中，sequence number和往返時間對於評估基本連接狀況來說是最有用的信息。
當發送一個ECHO_REQUEST時，將發送時間記錄在報文里，並複製到遠端主機相應的ECHO_REPLY報文中。當接收到ECHO_REPLY時，通過比較當前時間與報文時間計算出耗費時間。如果沒有收到符合該sequence number的報文，則認為該報文丟失。耗費時間長短以及變化範圍取決於中間鏈路數量，速度，以及鏈路擁塞情況。
什麼值是合理的呢？這一值高度取決於網路以及網路質量。如果是在LAN網路環境下，響應時間還是很快的，通常在十幾毫秒範圍之內。如果連接到外網則該值會顯著增加。如果是遠程站點，可能會耗時上百毫秒。
你也可以用ping來粗略計算連接的吞吐量。在外網上發送兩個不同大小的報文，通過-s選項來完成。時間長度的差別會反映大報文中額外數據所耗費的時間。例如，假設ping 100位元組耗費30ms而ping 1100位元組耗費60ms，因此，往返額外花費30ms單程額外花費15ms，多發送1000位元組或8000比特。吞吐量近似為每15ms 8000比特或540，000bps。兩個測量值之間的差異用來扣除開銷。當然這一估算是非常粗略的，沒有考慮到路徑上其他數據流的情況，也沒有考慮路徑上所有鏈路的情況。
TTL貌似可以估算一條路徑上的跳數，但是這有一些問題。當發送報文時，TTL欄位先被初始化接著經過路徑上每個路由器都要遞減。如果達到0，報文就被丟棄了。從而對所有報文生命周期有一定限制。因而在路由迴環的過程中，報文不會無期限存在於網路上。不幸的是，TTL欄位可能會，也可能不會被遠端設備重置，如果重置，也沒有一致性。因此，要使用TTL欄位估算路徑中的跳數需要知道詳細的系統信息。
通常一串穩定的回復意味著健康的連接。如果報文丟失或丟棄，可以在sequence number中看到跳數，以及丟失報文的編號。偶爾丟失一個報文不表示真的有什麼問題。特別是跨越多台路由器或擁塞網路時。一個序列中的一個報文丟失或耗費明顯更長時間是很正常的，這是因為路徑中各條鏈路需對第一個報文做ARP解析。在ARP數據保存之後，後續報文就不會有這種開銷。但是，如果丟失報文比例較大，則有可能路徑上有問題。
某些情況下會收到ICMP錯誤消息。通常來自路由器，這裡面包含很有用的信息。例如，下例中，設備嘗試訪問一個不存在的網路上的設備：
bsd1# ping 172.16.4.1PING 172.16.4.1 (172.16.4.1): 56 data bytes36 bytes from 172.16.2.1: Destination Host UnreachableVr HL TOS Len ID Flg off TTL Pro cks Src Dst4 5 00 5400 5031 0 0000 fe 01 0e49 172.16.2.13 172.16.4.136 bytes from 172.16.2.1: Destination Host UnreachableVr HL TOS Len ID Flg off TTL Pro cks Src Dst4 5 00 5400 5034 0 0000 fe 01 0e46 172.16.2.13 172.16.4.1^C--- 172.16.4.1 ping statistics ---2 packets transmitted, 0 packets received, 100% packet loss
由於路由器沒有到達該網路的路徑，所以返回ICMP DESTINATION_HOST_UNREACHABLE信息。通常如果問題發生在運行ping命令的設備上，則會收到Destination Host Unreachable告警或 Destination Network Unreachable告警。如果問題發生在轉發報文的設備上，則只會收到一條Destination Host Unreachable。
下例中，嘗試向一台已配置拒絕從源設備接收數據流的路由器發送數據：
bsd1# ping 172.16.3.10PING 172.16.3.10 (172.16.3.10): 56 data bytes36 bytes from 172.16.2.1: Communication prohibited by filterVr HL TOS Len ID Flg off TTL Pro cks Src Dst4 5 00 5400 5618 0 0000 ff 01 0859 172.16.2.13 172.16.3.1036 bytes from 172.16.2.1: Communication prohibited by filterVr HL TOS Len ID Flg off TTL Pro cks Src Dst4 5 00 5400 561b 0 0000 ff 01 0856 172.16.2.13 172.16.3.10^C--- 172.16.3.10 ping statistics ---2 packets transmitted, 0 packets received, 100% packet loss被過濾條件阻止的告警信息表明報文被丟棄。但也有可能過濾條件不顯示該告警。下例中，bsd1# ping 172.16.3.10PING 172.16.3.10 (172.16.3.10): 56 data bytes^C--- 172.16.3.10 ping statistics ---6 packets transmitted, 0 packets received, 100% packet loss
路由器上使用同樣的過濾條件，但應用於離開網路的數據流，而不作用於inbound數據流。因此，沒有消息發送。這時，ping就無法告訴你為什麼報文沒有收到回復。
ping的選項:
一些選項控制發送報文的速率和數量，-c選項允許用戶指定發送報文的數量。例如，ping –c10會發送10個報文然後停止。這一命令在腳本中很有用處。
命令-f和-l用於將報文泛洪到網路上。-f選項表明報文發送速率與接收主機能夠處理速率相同。這一參數可用於鏈路壓力測試或介面性能比較。
-l選項用於計數，儘可能快的發送該數量報文，然後恢復正常。該命令用於測試處理泛洪的能力，需要root許可權執行。
-i選項用於用戶在兩個連續報文之間指定等待秒數。該命令對於將報文間隔開或用在腳本中非常有用。正常情況下，偶然的ping包對數據流的影響是很小的。但重複報文或報文泛洪影響就很大了。因此，使用以上選項時需謹慎。
-n選項將輸出限制為數字形式，這在碰見DNS問題時很有用。-v顯示更詳盡輸出，較少輸出為-q和-Q。
-s選項指定發送數據的大小。但如果設置的太小，小於8，則報文中就沒有空間留給時間戳了。設置報文大小能診斷有路徑MTU(Maximum Transmission Unit)設置或分段而導致的問題。如果不使用該選項，ping默認是64位元組。
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參考
Network Troubleshooting Tools
PS：在gitbook上看到一本好書，但是無奈gitbook不掛梯子訪問太慢了。為了方便自己查閱，也方便知識共享，將文章轉載到知乎專欄，由於沒有聯繫到作者（據說是個女神）冒昧掛上來，如果有冒犯的地方，聯繫我我隨時進行刪除。謝謝。
作者：Zhang Jiawen
來源：網路基本功系列：細說網路那些事兒
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