TCP/IP协议栈之LwIP（四）---网络诊断与状态查询（ICMPv4 + ICMPv6）
文章目錄
- 一、ICMP協(xié)議簡介
- 1.1 ICMPv4報文功能
- 1.2 ICMPv6報文功能
- 二、PC常用網(wǎng)絡(luò)命令
- 三、ICMP協(xié)議實現(xiàn)
- 3.1 ICMPv4數(shù)據(jù)報描述
- 3.2 ICMPv4數(shù)據(jù)報操作函數(shù)
- 3.3 ICMPv6數(shù)據(jù)報描述與操作
- 3.4 如何發(fā)送ping命令
- 3.5 ICMP洪水攻擊
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一、ICMP協(xié)議簡介
架構(gòu)IP網(wǎng)絡(luò)時需要特別注意兩點：確認網(wǎng)絡(luò)是否正常工作；遇到異常時進行問題診斷。例如，一個剛剛搭建好的網(wǎng)絡(luò)，需要驗證該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置是否正確，為了確保網(wǎng)絡(luò)能夠按照預期正常工作，一旦遇到什么問題需要立即制止問題的蔓延。IP協(xié)議雖然完成了數(shù)據(jù)報在各個主機之間的遞交，但它只提供了一種無連接不可靠的數(shù)據(jù)報交付服務(wù)，協(xié)議本身并不提供任何錯誤檢驗與恢復機制，這就需要另一種協(xié)議ICMP（Internet Control Message Protocol）提供相應的錯誤檢驗與狀態(tài)查詢機制。
ICMP協(xié)議的主要功能包括，確認IP包是否成功送達目標地址，通知在發(fā)送過程當中IP包被廢棄的具體原因，改善網(wǎng)絡(luò)設(shè)置等。有了這些功能后，就可以獲得網(wǎng)絡(luò)是否正常、設(shè)置是否有誤以及設(shè)備有何異常等信息，從而便于進行網(wǎng)絡(luò)上的問題診斷。
在IP通信中如果某個IP包因為某種原因未能到達目標地址，那么這個具體的原因?qū)⒂蒊CMP負責通知。ICMP的這種通知消息會使用IP數(shù)據(jù)報進行發(fā)送，從這點看ICMP有點像上層傳輸層協(xié)議，但由于ICMP并不為應用程序提供傳輸服務(wù)，所以仍算作網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。ICMP報文封裝位置與格式如下圖示：
1.1 ICMPv4報文功能
從功能上劃分，ICMP消息報文大致可以分為兩類：一類是通知出錯原因的差錯報告報文；另一類是用于診斷的查詢消息報文。差錯報告報文主要用來向IP數(shù)據(jù)報源主機返回一個差錯報告信息，這個錯誤報告信息產(chǎn)生的原因是路由器或主機不能對當前數(shù)據(jù)報進行正常的處理，例如無法將數(shù)據(jù)報遞交給有效的上層協(xié)議、數(shù)據(jù)報因為生存時間TTL減為0而被刪除等。查詢報文用于一臺主機向另一臺主機查詢特定的信息，通常查詢報文都是成對出現(xiàn)的，即源主機發(fā)起一個查詢報文，在目的主機收到該報文后，會按照查詢報文約定的格式為源主機返回一個應答報文。兩大種類的ICMPv4報文及其常見類型如下表示：
目的站不可達：IP路由器無法將UO數(shù)據(jù)報發(fā)送到目的地址時，會給發(fā)送端主機返回一個目的不可達的ICMP消息報文，并在這個消息報文中顯示不可達的具體原因（前篇介紹的路徑MTU發(fā)現(xiàn)就是根據(jù)代碼4的分片位實現(xiàn)的），如下表示：
數(shù)據(jù)報超時：數(shù)據(jù)報超時可以用來防止數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中被循環(huán)的路由，在IP包中有一個字段叫TTL（Time To Live，生存時間），它的值隨著每經(jīng)過一次路由器就會減1，直到減到0時該IP包會被丟棄，IP路由器將會發(fā)送一個ICMP超時消息報文給發(fā)送端主機以通知該包已被丟棄（網(wǎng)絡(luò)上常用的traceroute命令就是充分利用ICMP超時消息實現(xiàn)的），超時原因主要有以下兩類：
源站抑制：為了給IP協(xié)議增加一種流量控制而設(shè)計，當路由器或主機因擁塞而丟棄數(shù)據(jù)報時，它可以向源站發(fā)送ICMP源站抑制報文，這個報文將告訴源站兩個消息：第一，你的數(shù)據(jù)報發(fā)得太快，我已經(jīng)丟棄了；第二，路徑中出現(xiàn)了擁塞，請放慢你的數(shù)據(jù)報發(fā)送頻率。
重定向：如果路由器發(fā)現(xiàn)發(fā)送端主機使用了次優(yōu)的路徑發(fā)送數(shù)據(jù)包，那么它會返回一個ICMP重定向消息報文告訴源主機改變它的路由表，這個消息報文中包含了最合適的路由信息和源數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)報的遞交效率。
數(shù)據(jù)報參數(shù)錯誤：數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，其首部中出現(xiàn)的任何二義性都可能會產(chǎn)生嚴重的問題，如果路由器或主機發(fā)現(xiàn)了這種二義性或者數(shù)據(jù)報中的某個字段丟失，路由器會直接丟棄數(shù)據(jù)報，并向源主機返回一個數(shù)據(jù)報參數(shù)錯誤報文。
回送請求或應答：用于進行通信的主機或路由器之間，判斷所發(fā)送的數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)成功到達對端的一種消息報文。可以向?qū)Χ酥鳈C發(fā)送回送請求消息，也可以接收對端主機發(fā)回來的回送應答消息，網(wǎng)絡(luò)上最常用的ping命令就是利用這個消息報文實現(xiàn)的。
路由器詢問和通告：主要用于發(fā)現(xiàn)與自己相連網(wǎng)絡(luò)中的路由器，當一臺主機發(fā)出ICMP路由器請求時，路由器則返回相應的通告報文。
時間戳請求或回答：在互聯(lián)網(wǎng)中的兩臺主機能夠使用時間戳請求或回答報文來確定數(shù)據(jù)報在彼此之間往返所需要的時間。
地址掩碼請求或回答：主要用于主機或路由器想要了解子網(wǎng)掩碼的情況，可以向那些目標主機或路由器發(fā)送ICMP地址掩碼請求報文，然后通過接收ICMP地址掩碼應答報文獲取子網(wǎng)掩碼的信息。
1.2 ICMPv6報文功能
IPv4中ICMP僅作為一個輔助作用支持IPv4，即使沒有ICMP仍可以實現(xiàn)IP通信。然而在IPv6中，ICMP的作用被擴大了，如果沒有ICMPv6，IPv6就無法進行正常通信。比如在IPv6中從IP地址定位MAC地址的協(xié)議從ARP轉(zhuǎn)為ICMP的鄰居探索消息（Neighbor Discovery），這種鄰居探索消息融合了IPv4的ARP、ICMP重定向以及ICMP路由器選擇消息等功能于一體，甚至還提供自動設(shè)置IP地址的功能。
ICMPv6中將ICMP也大致分為兩類：一類是錯誤報告消息（類型0–127）；另一類是信息查詢消息（類型128–255）。常用的消息類型如下表示：
上面的錯誤報告消息含義跟ICMPv4類似，其中的數(shù)據(jù)包過大是指數(shù)據(jù)包在傳遞過程中，其大小超過了鏈路的MTU值，路由器會向源節(jié)點發(fā)送此消息，此消息也被用于鏈路MTU發(fā)現(xiàn)協(xié)議。
上面的信息查詢報文多數(shù)也跟ICMPv4類似，下面主要介紹下多播監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)消息（Multicast Listener Discovery）、鄰居探索消息（Neighbor Discovery Protocol）、反鄰居探索消息等，更多信息可以參考博客：IPv6重臣之ICMPv6。
多播監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)：包括從類型130至類型132的消息，在多播通信中，用于確認是否有接收端，這里的MLD（Multicast Listener Discovery）可以實現(xiàn)IPv4中IGMP（Internet Group Management Protocol）的功能。其中多播監(jiān)聽報告與結(jié)束消息用于通知多播路由器（需要支持多播路由協(xié)議，便于將組關(guān)系轉(zhuǎn)發(fā)給互聯(lián)網(wǎng)上其它的多播路由器）加入與退出多播組，多播監(jiān)聽查詢消息用于周期性探尋本地局域網(wǎng)上主機是否還為多播組成員。
鄰居探索消息：ICMPv6中從類型133至類型137的消息叫做鄰居探索消息，其中鄰居請求消息用于查詢IPv6的地址與MAC地址的對應關(guān)系（與IPv4中的ARP協(xié)議功能類似），并由鄰居宣告消息得知MAC地址，鄰居請求消息利用IPv6的多播地址實現(xiàn)傳輸。
反鄰居探索消息：反向鄰居探索請求消息用于查詢MAC地址與IPv6地址的對應關(guān)系（與IPv4中的RARP協(xié)議功能類似），并由反向鄰居探索宣告消息得知IPv6地址，反向鄰居探索消息也利用了IPv6的多播地址實現(xiàn)傳輸。
由于在IPv6中實現(xiàn)了即插即用的功能，所以在沒有DHCP服務(wù)器的環(huán)境下也能實現(xiàn)IP地址的自動獲取。如果是一個沒有路由器的網(wǎng)絡(luò)，就使用MAC地址作為鏈路本地單播地址（前篇介紹過IPv6地址中的一種，網(wǎng)絡(luò)標識為FE80::/10，主機標識為64比特版的MAC地址EUI-64）。而在一個有路由器的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以從路由器獲得IPv6地址的前面部分的網(wǎng)絡(luò)標識，后面部分的主機標識則由MAC地址進行設(shè)置（需要轉(zhuǎn)換為EUI-64），此時可以利用路由器請求與宣告消息進行設(shè)置。
二、PC常用網(wǎng)絡(luò)命令
前面介紹ICMP時已經(jīng)提到了兩個常用的網(wǎng)絡(luò)命令ping與traceroute：ping命令利用ICMP的回送請求/應答消息報文檢查網(wǎng)絡(luò)的連通性與往返估計時間；traceroute命令利用ICMP超時消息報文顯示出由執(zhí)行程序的源主機到達目的主機之前歷經(jīng)多少路由器。下面分別看下這兩個命令的使用示例：
上面是在windows系統(tǒng)上運行命令截的圖，主要是考慮到windows上命令支持的參數(shù)排版解釋更詳細。這兩個命令也是在進行網(wǎng)絡(luò)錯誤監(jiān)測時最常用到的命令，前面介紹的查看ARP緩存表，查看路由表，查看網(wǎng)卡接口信息，甚至后面將要介紹的查詢網(wǎng)絡(luò)端口連接信息都有相關(guān)的命令提供功能支持，下面列舉出linux常用的網(wǎng)絡(luò)命令如下：
| ifconfig | 可以手動啟動、查看、修改網(wǎng)絡(luò)接口的相關(guān)參數(shù)，可以修改的參數(shù)包括IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)、MTU等； |
| iwlist iwconfig | iwlist可以利用無線網(wǎng)卡進行無線AP的檢測并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)； iwconfig可以設(shè)置無線網(wǎng)卡的相關(guān)參數(shù)； |
| ip | 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)綜合命令，除了可以設(shè)置一些基本的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)外，還能執(zhí)行額外的IP協(xié)議，包括多IP的設(shè)置，功能很強大； |
| arp | 查看IP地址與MAC地址對的緩存表信息； |
| route | 查看目的IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)等路由狀態(tài)信息； |
| nslookup host | 查看主機名與IP地址的對應關(guān)系信息； |
| ping | 查看目的主機是否可以訪問到，并可獲知往返時間等信息； |
| traceroute | 跟蹤源主機到目的主機所通過的各個路由節(jié)點信息； |
| netstat | 查看網(wǎng)絡(luò)傳輸層各端口的連接狀態(tài)信息，比如目前有多少連接已建立或出現(xiàn)問題等； |
| telnet | 可用于遠程登錄并訪問目的主機； |
| ftp lftp | 可與遠程主機間進行文件傳送； |
| tcpdump wireshark | 可捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，用于分析數(shù)據(jù)包流向甚至監(jiān)聽數(shù)據(jù)包內(nèi)容； 其中tcpdump是命令接口式數(shù)據(jù)包分析軟件，wireshark是圖形接口數(shù)據(jù)包分析軟件； |
上面的命令使用時可以直接查看命令幫助，如果只查看簡略的命令參數(shù)信息，可以使用–help（或-h）獲得簡略命令幫助信息，如果想查看詳細的幫助信息可以使用man，即在命令名前加man（全稱manual使用手冊的意思）。下面看看windows系統(tǒng)的常用網(wǎng)絡(luò)命令：
| ipconfig | 查詢網(wǎng)絡(luò)接口信息，包括各網(wǎng)卡的MAC地址、IP地址/子網(wǎng)掩碼/默認網(wǎng)關(guān)，甚至DHCP/DNS服務(wù)器地址等信息； |
| netsh | Network Shell是一個 Windows 系統(tǒng)本身提供的網(wǎng)絡(luò)配置命令行工具； |
| arp | 查看或修改IP地址與MAC地址對的緩存表信息； |
| route | 查看或修改目的IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)等路由狀態(tài)信息； |
| nslookup | 查看主機名與IP地址的對應關(guān)系信息； |
| ping | 查看目的主機是否可以訪問到，并可獲知往返時間等信息； |
| tracert | 跟蹤源主機到目的主機所通過的各個路由節(jié)點信息； |
| netstat | 查看網(wǎng)絡(luò)傳輸層各端口的連接狀態(tài)信息，比如目前有多少連接已建立或出現(xiàn)問題等； |
| net | 可以查看我們的管理網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、服務(wù)、用戶、登陸等信息內(nèi)容； |
| telnet | 可用于遠程登錄并訪問目的主機； |
| ftp | 可與遠程主機間進行文件傳送； |
| wireshark | 可捕獲網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，用于分析數(shù)據(jù)包流向甚至監(jiān)聽數(shù)據(jù)包內(nèi)容； |
上面的命令依然可以直接查看幫助信息獲得所支持的參數(shù)及用法，在命令后加上"/?"即可獲得該命令的幫助信息。也可以在命令名前加help查詢該命令的用法，但這種方式支持的命令相對較少，如果想獲得更強大的命令交互支持，可以使用powershell。
三、ICMP協(xié)議實現(xiàn)
總結(jié)下LwIP中實現(xiàn)了ICMP協(xié)議的哪些功能？在數(shù)據(jù)報處理過程中，根據(jù)差錯情況的不同，能夠發(fā)送兩種類型的差錯報文：目的站不可達差錯報文和數(shù)據(jù)報超時差錯報文。此外，LwIP能夠響應一種查詢報文，即回送請求報文，協(xié)議棧會根據(jù)收到的回送請求報文產(chǎn)生一個回送應答報文。
3.1 ICMPv4數(shù)據(jù)報描述
ICMP的數(shù)據(jù)報格式前面介紹過，其中的首部剩余字節(jié)在差錯報文與查詢報文中有些不同，兩種報文的結(jié)構(gòu)分別如下圖示：
ICMP報文相比IP報文簡單些，在LwIP中描述ICMP報文的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
上面這些宏及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義相對簡單，前面的宏定義主要定義了ICMP的報文類型，接下來的枚舉類型定義了目的不可達和數(shù)據(jù)報超時的報文代碼。后面的結(jié)構(gòu)體定義了ICMP回送報文首部（PACK_STRUCT_FIELD禁止編譯器自對齊），這個結(jié)構(gòu)體也可以拿來描述其他類型的首部；最后的宏定義分別用于查詢、設(shè)置ICMP首部中的部分字段，其中宏變量hdr指向ICMP首部結(jié)構(gòu)體指針。
3.2 ICMPv4數(shù)據(jù)報操作函數(shù)
在數(shù)據(jù)報不能遞交給任何一個上層協(xié)議時，函數(shù)icmp_dest_unreach會被調(diào)用，以發(fā)送一個目的不可達ICMP差錯報文給源主機，引起目的不可達的原因是協(xié)議不可達；在UDP層處理時還將看到如果UDP數(shù)據(jù)不能被遞交給任何一個應用程序，函數(shù)icmp_dest_unreach也會被調(diào)用，這里引起目的不可達的具體原因是端口不可達。另一種差錯報文是超時報文，發(fā)送超時報文的函數(shù)叫icmp_time_exceeded，在數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)和分片重裝過程中，都可能調(diào)用該函數(shù)，引發(fā)超時的具體原因可能有兩種：一種是數(shù)據(jù)報TTL為0；另一種是分片重裝時間超時。下面來看看兩種差錯報文具體是怎么被發(fā)送的：
// rt-thread\components\net\lwip-1.4.1\src\core\ipv4\icmp.c/* The amount of data from the original packet to return in a dest-unreachable */ #define ICMP_DEST_UNREACH_DATASIZE 8/*** Send an icmp 'destination unreachable' packet, called from ip_input() if* the transport layer protocol is unknown and from udp_input() if the local* port is not bound.* @param p the input packet for which the 'unreachable' should be sent,* p->payload pointing to the IP header* @param t type of the 'unreachable' packet*/ void icmp_dest_unreach(struct pbuf *p, enum icmp_dur_type t) {icmp_send_response(p, ICMP_DUR, t); }#if IP_FORWARD || IP_REASSEMBLY /*** Send a 'time exceeded' packet, called from ip_forward() if TTL is 0.* @param p the input packet for which the 'time exceeded' should be sent,* p->payload pointing to the IP header* @param t type of the 'time exceeded' packet*/ void icmp_time_exceeded(struct pbuf *p, enum icmp_te_type t) {icmp_send_response(p, ICMP_TE, t); } #endif /* IP_FORWARD || IP_REASSEMBLY *//*** Send an icmp packet in response to an incoming packet.** @param p the input packet for which the 'unreachable' should be sent,* p->payload pointing to the IP header* @param type Type of the ICMP header* @param code Code of the ICMP header*/ static void icmp_send_response(struct pbuf *p, u8_t type, u8_t code) {struct pbuf *q;struct ip_hdr *iphdr;/* we can use the echo header here */struct icmp_echo_hdr *icmphdr;ip_addr_t iphdr_src;/* ICMP header + IP header + 8 bytes of data */q = pbuf_alloc(PBUF_IP, sizeof(struct icmp_echo_hdr) + IP_HLEN + ICMP_DEST_UNREACH_DATASIZE, PBUF_RAM);if (q == NULL) {return;}iphdr = (struct ip_hdr *)p->payload;icmphdr = (struct icmp_echo_hdr *)q->payload;icmphdr->type = type;icmphdr->code = code;icmphdr->id = 0;icmphdr->seqno = 0;/* copy fields from original packet */SMEMCPY((u8_t *)q->payload + sizeof(struct icmp_echo_hdr), (u8_t *)p->payload,IP_HLEN + ICMP_DEST_UNREACH_DATASIZE);/* calculate checksum */icmphdr->chksum = 0;icmphdr->chksum = inet_chksum(icmphdr, q->len);ip_addr_copy(iphdr_src, iphdr->src);ip_output(q, NULL, &iphdr_src, ICMP_TTL, 0, IP_PROTO_ICMP);pbuf_free(q); }這里的重點是icmp_send_response函數(shù)，它為報文申請空間，然后根據(jù)報文類型和代碼字段值填寫數(shù)據(jù)，然后計算校驗和，最后通過函數(shù)ip_output將數(shù)據(jù)報發(fā)送出去。
IP層收到ICMP報文會調(diào)用icmp_input函數(shù)處理，該函數(shù)根據(jù)報文的不同類型做出不同處理。目前LwIP只支持ICMP回送請求報文的處理，而對其他類型的ICMP報文直接丟棄，不做任何響應，這在嵌入式產(chǎn)品中也夠用了。對于ICMP回送請求，icmp_input生成回送應答報文并返回源主機的處理過程如下：
// rt-thread\components\net\lwip-1.4.1\src\core\ipv4\icmp.c/*** Processes ICMP input packets, called from ip_input().** Currently only processes icmp echo requests and sends* out the echo response.* @param p the icmp echo request packet, p->payload pointing to the ip header* @param inp the netif on which this packet was received*/ void icmp_input(struct pbuf *p, struct netif *inp) {u8_t type;struct icmp_echo_hdr *iecho;struct ip_hdr *iphdr;s16_t hlen;iphdr = (struct ip_hdr *)p->payload;hlen = IPH_HL(iphdr) * 4;if (pbuf_header(p, -hlen) || (p->tot_len < sizeof(u16_t)*2)) {goto lenerr;}type = *((u8_t *)p->payload);switch (type) {case ICMP_ER:/* This is OK, echo reply might have been parsed by a raw PCB(as obviously, an echo request has been sent, too). */break; case ICMP_ECHO:{int accepted = 1;/* multicast destination address? */if (ip_addr_ismulticast(¤t_iphdr_dest)) {accepted = 0;}/* broadcast destination address? */if (ip_addr_isbroadcast(¤t_iphdr_dest, inp)) {accepted = 0;}/* broadcast or multicast destination address not acceptd? */if (!accepted) {pbuf_free(p);return;}}if (p->tot_len < sizeof(struct icmp_echo_hdr)) {goto lenerr;}if (inet_chksum_pbuf(p) != 0) {pbuf_free(p);return;}/* At this point, all checks are OK. *//* We generate an answer by switching the dest and src ip addresses,* setting the icmp type to ECHO_RESPONSE and updating the checksum. */iecho = (struct icmp_echo_hdr *)p->payload;ip_addr_copy(iphdr->src, *ip_current_dest_addr());ip_addr_copy(iphdr->dest, *ip_current_src_addr());ICMPH_TYPE_SET(iecho, ICMP_ER);/* adjust the checksum */if (iecho->chksum >= PP_HTONS(0xffffU - (ICMP_ECHO << 8))) {iecho->chksum += PP_HTONS(ICMP_ECHO << 8) + 1;} else {iecho->chksum += PP_HTONS(ICMP_ECHO << 8);}/* Set the correct TTL and recalculate the header checksum. */IPH_TTL_SET(iphdr, ICMP_TTL);IPH_CHKSUM_SET(iphdr, 0);IPH_CHKSUM_SET(iphdr, inet_chksum(iphdr, IP_HLEN));if(pbuf_header(p, hlen)) {LWIP_ASSERT("Can't move over header in packet", 0);} else {err_t ret;/* send an ICMP packet, src addr is the dest addr of the curren packet */ret = ip_output_if(p, ip_current_dest_addr(), IP_HDRINCL,ICMP_TTL, 0, IP_PROTO_ICMP, inp);}break;default:break;}pbuf_free(p);return; lenerr:pbuf_free(p);return; }上面的函數(shù)為了便于理解，去掉了部分不重要的編譯選項，對于傳進來的數(shù)據(jù)報pbuf，首先檢查將payload指針調(diào)整到ICMP首部并判斷首部長度是否不小于4字節(jié)，若滿足最小長度要求繼續(xù)處理。接下來根據(jù)ICMP首部不同類型做出不同處理，若為回送應答則可直接忽略，對于回送請求報文則需判斷目的地址是否合法（目的地址為多播與廣播地址的請求報文不做處理），再檢查報文長度和校驗和是否正確。當所有校驗工作成功后，就可以產(chǎn)生一個應答報文，應答報文不需要另開辟新的內(nèi)存空間，直接重復利用請求報文空間即可，它們二者只有報文類型字段有差異，修改ICMP報文類型字段并重新計算校驗和（因只變更一個字段，有簡易算式減少計算量），交換目的IP與源IP后就可以將生成的回送應答報文通過ip_output_if函數(shù)發(fā)送出去了。
3.3 ICMPv6數(shù)據(jù)報描述與操作
LwIP 1.4.1版本中對IPv6的支持有限，并沒有實現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)和多播監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)功能。在最新版的LwIP 2.1.2版本中增強了對IPv6的支持，實現(xiàn)了ICMPv6的鄰居發(fā)現(xiàn)和多播監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)功能。這里主要以LwIP 1.4.1版本為例分析TCP/IP協(xié)議棧原理與實現(xiàn)代碼，鄰居發(fā)現(xiàn)與多播監(jiān)聽發(fā)現(xiàn)的實現(xiàn)代碼在這里就暫略了，報文跟ICMPv4類似，LwIP也只實現(xiàn)了目的不可達、超時、回送請求/應答報文，不同的是ICMPv6三種報文分別用三個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述了，代碼如下：
// rt-thread\components\net\lwip-1.4.1\src\include\ipv6\lwip\icmp.h#define ICMP6_DUR 1 #define ICMP6_TE 3 #define ICMP6_ECHO 128 /* echo */ #define ICMP6_ER 129 /* echo reply */enum icmp_dur_type {ICMP_DUR_NET = 0, /* net unreachable */ICMP_DUR_HOST = 1, /* host unreachable */ICMP_DUR_PROTO = 2, /* protocol unreachable */ICMP_DUR_PORT = 3, /* port unreachable */ICMP_DUR_FRAG = 4, /* fragmentation needed and DF set */ICMP_DUR_SR = 5 /* source route failed */ };enum icmp_te_type {ICMP_TE_TTL = 0, /* time to live exceeded in transit */ICMP_TE_FRAG = 1 /* fragment reassembly time exceeded */ };struct icmp_echo_hdr {u8_t type;u8_t icode;u16_t chksum;u16_t id;u16_t seqno; };struct icmp_dur_hdr {u8_t type;u8_t icode;u16_t chksum;u32_t unused; };struct icmp_te_hdr {u8_t type;u8_t icode;u16_t chksum;u32_t unused; };該版本協(xié)議棧在ICMPv6中實現(xiàn)的三種報文操作函數(shù)代碼如下：
// rt-thread\components\net\lwip-1.4.1\src\core\ipv6\icmp6.c#define SMEMCPY(dst,src,len) memcpy(dst,src,len)void icmp_input(struct pbuf *p, struct netif *inp) {u8_t type;struct icmp_echo_hdr *iecho;struct ip_hdr *iphdr;struct ip_addr tmpaddr;/* TODO: check length before accessing payload! */type = ((u8_t *)p->payload)[0];switch (type) {case ICMP6_ECHO:if (p->tot_len < sizeof(struct icmp_echo_hdr)) {pbuf_free(p);return;}iecho = p->payload;iphdr = (struct ip_hdr *)((u8_t *)p->payload - IP_HLEN);ip_addr_set(&tmpaddr, &(iphdr->src));ip_addr_set(&(iphdr->src), &(iphdr->dest));ip_addr_set(&(iphdr->dest), &tmpaddr);iecho->type = ICMP6_ER;/* adjust the checksum */if (iecho->chksum >= htons(0xffff - (ICMP6_ECHO << 8))) {iecho->chksum += htons(ICMP6_ECHO << 8) + 1;} else {iecho->chksum += htons(ICMP6_ECHO << 8);}ip_output_if (p, &(iphdr->src), IP_HDRINCL, iphdr->hoplim, IP_PROTO_ICMP, inp);break;default:break;}pbuf_free(p); }void icmp_dest_unreach(struct pbuf *p, enum icmp_dur_type t) {struct pbuf *q;struct ip_hdr *iphdr;struct icmp_dur_hdr *idur;/* @todo: can this be PBUF_LINK instead of PBUF_IP? */q = pbuf_alloc(PBUF_IP, 8 + IP_HLEN + 8, PBUF_RAM);/* ICMP header + IP header + 8 bytes of data */if (q == NULL) {pbuf_free(p);return;}iphdr = p->payload;idur = q->payload;idur->type = (u8_t)ICMP6_DUR;idur->icode = (u8_t)t;SMEMCPY((u8_t *)q->payload + 8, p->payload, IP_HLEN + 8);/* calculate checksum */idur->chksum = 0;idur->chksum = inet_chksum(idur, q->len);ip_output(q, NULL, (struct ip_addr *)&(iphdr->src), ICMP_TTL, IP_PROTO_ICMP);pbuf_free(q); }void icmp_time_exceeded(struct pbuf *p, enum icmp_te_type t) {struct pbuf *q;struct ip_hdr *iphdr;struct icmp_te_hdr *tehdr;/* @todo: can this be PBUF_LINK instead of PBUF_IP? */q = pbuf_alloc(PBUF_IP, 8 + IP_HLEN + 8, PBUF_RAM);/* ICMP header + IP header + 8 bytes of data */if (q == NULL) {pbuf_free(p);return;}iphdr = p->payload;tehdr = q->payload;tehdr->type = (u8_t)ICMP6_TE;tehdr->icode = (u8_t)t;/* copy fields from original packet */SMEMCPY((u8_t *)q->payload + 8, (u8_t *)p->payload, IP_HLEN + 8);/* calculate checksum */tehdr->chksum = 0;tehdr->chksum = inet_chksum(tehdr, q->len);ip_output(q, NULL, (struct ip_addr *)&(iphdr->src), ICMP_TTL, IP_PROTO_ICMP);pbuf_free(q); }3.4 如何發(fā)送ping命令
前面介紹了如何發(fā)送ICMP目的不可達報文與超時報文，也介紹了對于接收到的ICMP回送請求報文如何回送應答報文，但ICMP回送請求報文是如何發(fā)送的呢？前面介紹的ping命令是根據(jù)ICMP回送請求/應答報文實現(xiàn)的，下面就以ping命令的實現(xiàn)過程為例，介紹ICMP回送請求報文如何發(fā)送。
在前篇介紹IP協(xié)議時，IP層輸入函數(shù)ip_input對于每個輸入的數(shù)據(jù)包都會調(diào)用raw_input進行處理，這是IP層為應用程序直接獲取IP數(shù)據(jù)包提供的一種機制，Socket編程中將這種機制稱為原始套接字，而在LwIP內(nèi)核中，我們可以把它稱為原始協(xié)議控制塊raw_pcb，對raw_pcb的描述如下：
// rt-thread\components\net\lwip-1.4.1\src\include\ipv4\lwip\ip.h/* This is the common part of all PCB types. It needs to be at thebeginning of a PCB type definition. It is located here so thatchanges to this common part are made in one location instead ofhaving to change all PCB structs. */ #define IP_PCB \/* ip addresses in network byte order */ \ip_addr_t local_ip; \ip_addr_t remote_ip; \/* Socket options */ \u8_t so_options; \/* Type Of Service */ \u8_t tos; \/* Time To Live */ \u8_t ttlstruct ip_pcb { /* Common members of all PCB types */IP_PCB; };// rt-thread\components\net\lwip-1.4.1\src\include\lwip\raw.h/** Function prototype for raw pcb receive callback functions.* @param arg user supplied argument (raw_pcb.recv_arg)* @param pcb the raw_pcb which received data* @param p the packet buffer that was received* @param addr the remote IP address from which the packet was received* @return 1 if the packet was 'eaten' (aka. deleted),* 0 if the packet lives on* If returning 1, the callback is responsible for freeing the pbuf* if it's not used any more.*/ typedef u8_t (*raw_recv_fn)(void *arg, struct raw_pcb *pcb, struct pbuf *p,ip_addr_t *addr);struct raw_pcb {/* Common members of all PCB types */IP_PCB;struct raw_pcb *next;u8_t protocol;/** receive callback function */raw_recv_fn recv;/* user-supplied argument for the recv callback */void *recv_arg; };原始協(xié)議控制塊raw_pcb如上所示，每一個控制塊raw_pcb可定制一個特定協(xié)議類型的IP數(shù)據(jù)包，如ICMP包、TCP包、UDP包等。當IP層收到一個數(shù)據(jù)包后，如果該包首部中的IP地址和協(xié)議字段與某個raw_pcb吻合，則數(shù)據(jù)包會被遞交給這個raw_pcb處理。raw_pcb對數(shù)據(jù)包的處理過程很簡單，直接調(diào)用raw_pcb上注冊的recv回調(diào)函數(shù)，用戶根據(jù)自己的需要編寫這個回調(diào)函數(shù)，從而完成對該IP包的特定處理。內(nèi)核中可能同時存在多個raw_pcb，它們各自定制不同連接上的不同協(xié)議包，因此內(nèi)核利用next字段將所有raw_pcb組織在一個名為raw_pcbs的鏈表上，方便對各個原始協(xié)議控制塊進行遍歷操作。下面看看前篇提到的ip_input函數(shù)內(nèi)調(diào)用的raw_input函數(shù)是如何工作的：
// rt-thread\components\net\lwip-1.4.1\src\core\raw.c/*** Determine if in incoming IP packet is covered by a RAW PCB* and if so, pass it to a user-provided receive callback function.* Given an incoming IP datagram (as a chain of pbufs) this function* finds a corresponding RAW PCB and calls the corresponding receive* callback function.* @param p pbuf to be demultiplexed to a RAW PCB.* @param inp network interface on which the datagram was received.* @return - 1 if the packet has been eaten by a RAW PCB receive* callback function. The caller MAY NOT not reference the* packet any longer, and MAY NOT call pbuf_free().* @return - 0 if packet is not eaten (pbuf is still referenced by the* caller).*/ u8_t raw_input(struct pbuf *p, struct netif *inp) {struct raw_pcb *pcb, *prev;struct ip_hdr *iphdr;s16_t proto;u8_t eaten = 0;iphdr = (struct ip_hdr *)p->payload;proto = IPH_PROTO(iphdr);prev = NULL;pcb = raw_pcbs;/* loop through all raw pcbs until the packet is eaten by one *//* this allows multiple pcbs to match against the packet by design */while ((eaten == 0) && (pcb != NULL)) {if ((pcb->protocol == proto) &&(ip_addr_isany(&pcb->local_ip) ||ip_addr_cmp(&(pcb->local_ip), ¤t_iphdr_dest))) {/* receive callback function available? */if (pcb->recv != NULL) {/* the receive callback function did not eat the packet? */if (pcb->recv(pcb->recv_arg, pcb, p, ip_current_src_addr()) != 0) {/* receive function ate the packet */p = NULL;eaten = 1;if (prev != NULL) {/* move the pcb to the front of raw_pcbs so that isfound faster next time */prev->next = pcb->next;pcb->next = raw_pcbs;raw_pcbs = pcb;}}}/* no receive callback function was set for this raw PCB */}/* drop the packet */prev = pcb;pcb = pcb->next;}return eaten; }可見，raw_input的處理過程就是一個循環(huán)查找的過程，它為IP數(shù)據(jù)包查找一個協(xié)議字段和IP地址都吻合的原始協(xié)議控制塊，并調(diào)用該控制塊注冊的回調(diào)函數(shù)recv處理數(shù)據(jù)包。其余的raw_pcb的操作函數(shù)見下表：
| struct raw_pcb * raw_new(u8_t proto) | 創(chuàng)建一個raw_pcb并插入raw_pcbs鏈表首部， 以proto作為協(xié)議類型初始化該控制塊； |
| void raw_remove(struct raw_pcb *pcb) | 從raw_pcbs鏈表中移除某raw_pcb并釋放其 內(nèi)存空間； |
| err_t raw_bind(struct raw_pcb *pcb, ip_addr_t *ipaddr) | 將本地IP地址綁定到raw_pcb上（設(shè)置IP_PCB 中的local_ip）； |
| err_t raw_connect(struct raw_pcb *pcb, ip_addr_t *ipaddr) | 將對端IP地址綁定到raw_pcb上（設(shè)置IP_PCB 中的remote_ip）； |
| void raw_recv(struct raw_pcb *pcb, raw_recv_fn recv, void *recv_arg) | 向raw_pcb中注冊回調(diào)函數(shù)recv及其參數(shù)recv_arg； |
| err_t raw_sendto(struct raw_pcb *pcb, struct pbuf *p, ip_addr_t *ipaddr) | 將一個raw IP數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的IP地址對應的主機， raw IP數(shù)據(jù)包首部字段值由raw_pcb提供； |
| err_t raw_send(struct raw_pcb *pcb, struct pbuf *p) | 實際調(diào)用raw_sendto； |
利用raw_pcb的結(jié)構(gòu)體及其操作函數(shù)，我們可以注冊一個ICMP協(xié)議的原始協(xié)議控制塊，用來接收IP層的ping響應包，同時利用內(nèi)核的定時機制，周期性地往對端IP地址構(gòu)造并發(fā)送ping請求包，而在原始協(xié)議控制塊的recv回調(diào)函數(shù)中接收并處理ping響應。按照上述原理發(fā)送ping請求的實現(xiàn)代碼如下：
#define PING_DELAY 1000 #define PING_ID 0xAFAF #define PING_DATA_SIZE 32 /* ping variables */ static u16_t ping_seq_num; static u32_t ping_time; static struct raw_pcb *ping_pcb = NULL; static ip_addr_t ping_dst;/** Prepare a echo ICMP request */ static void ping_prepare_echo( struct icmp_echo_hdr *iecho, u16_t len) {size_t i;size_t data_len = len - sizeof(struct icmp_echo_hdr);ICMPH_TYPE_SET(iecho, ICMP_ECHO);ICMPH_CODE_SET(iecho, 0);iecho->chksum = 0;iecho->id = PING_ID;iecho->seqno = htons(++ping_seq_num);/* fill the additional data buffer with some data */for(i = 0; i < data_len; i++) {((char*)iecho)[sizeof(struct icmp_echo_hdr) + i] = (char)i;}iecho->chksum = inet_chksum(iecho, len); }/* Ping using the raw ip */ static u8_t ping_recv(void *arg, struct raw_pcb *pcb, struct pbuf *p, ip_addr_t *addr) {struct icmp_echo_hdr *iecho;//we can also check src ip here, but just egnore itif ((p->tot_len >= (PBUF_IP_HLEN + sizeof(struct icmp_echo_hdr)))){iecho = (struct icmp_echo_hdr *)((u8_t*)p->payload + PBUF_IP_HLEN);if ((iecho->type == ICMP_ER) && (iecho->id == PING_ID) && (iecho->seqno == htons(ping_seq_num))) { LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("ping: recv "));ip_addr_debug_print(PING_DEBUG, addr);LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, (" time=%"U32_F" ms\n", (sys_now()-ping_time)));pbuf_free(p);return 1; /* eat the packet */}}return 0; /* don't eat the packet */ }static void ping_send(struct raw_pcb *raw, ip_addr_t *addr) {struct pbuf *p;struct icmp_echo_hdr *iecho;size_t ping_size = sizeof(struct icmp_echo_hdr) + PING_DATA_SIZE;p = pbuf_alloc(PBUF_IP, (u16_t)ping_size, PBUF_RAM);if (!p) {return;}if ((p->len == p->tot_len) && (p->next == NULL)) {iecho = (struct icmp_echo_hdr *)p->payload;ping_prepare_echo(iecho, (u16_t)ping_size);raw_sendto(raw, p, addr);ping_time = sys_now();LWIP_DEBUGF(PING_DEBUG, ("ping:[%"U32_F"] send ", ping_seq_num));ip_addr_debug_print(PING_DEBUG, addr);LWIP_DEBUGF( PING_DEBUG, ("\n"));}pbuf_free(p); }static void ping_timeout(void *arg) {struct raw_pcb *pcb = (struct raw_pcb*)arg;ping_send(pcb, &ping_dst);sys_timeout(PING_DELAY, ping_timeout, pcb); }static void ping_raw_init(void) {ping_pcb = raw_new(IP_PROTO_ICMP);raw_recv(ping_pcb, ping_recv, NULL);raw_bind(ping_pcb, IP_ADDR_ANY);sys_timeout(PING_DELAY, ping_timeout, ping_pcb); }void ping_init(void) {IP4_ADDR(&ping_dst, 192,168,1,103);ping_raw_init(); }上面的代碼主要功能有兩個：一是通過注冊到新建raw_pcb上的ping_recv函數(shù)，當接收到IP層的ping回送請求包時，通過串口打印ping響應信息；二是通過周期性函數(shù)ping_timeout不斷調(diào)用ping_send向?qū)Χ薎P地址發(fā)送ping請求包（由函數(shù)ping_prepare_echo構(gòu)造），并通過串口打印ping請求包發(fā)送信息。
在contrib-1.4.1中有針對lwip-1.4.1版本協(xié)議棧的ping命令實現(xiàn)，該實現(xiàn)方式?jīng)]有使用raw接口，而是采用更上層的socket接口實現(xiàn)，其實現(xiàn)代碼如下：
// rt-thread\components\net\lwip-1.4.1\src\apps\ping\ping.c/* using the lwIP custom ping */ rt_err_t ping(char* target_name, rt_uint32_t times, rt_size_t size) { #if LWIP_VERSION_MAJOR >= 2Ustruct timeval timeout = { PING_RCV_TIMEO / RT_TICK_PER_SECOND, PING_RCV_TIMEO % RT_TICK_PER_SECOND }; #elseint timeout = PING_RCV_TIMEO * 1000UL / RT_TICK_PER_SECOND; #endifint s, ttl, recv_len;ip_addr_t target_addr;rt_uint32_t send_times;rt_tick_t recv_start_tick;struct addrinfo hint, *res = NULL;struct sockaddr_in *h = NULL;struct in_addr ina;send_times = 0;ping_seq_num = 0;if (size == 0){size = PING_DATA_SIZE;}memset(&hint, 0, sizeof(hint));/* convert URL to IP */if (lwip_getaddrinfo(target_name, NULL, &hint, &res) != 0){rt_kprintf("ping: unknown host %s\n", target_name);return -RT_ERROR;}memcpy(&h, &res->ai_addr, sizeof(struct sockaddr_in *));memcpy(&ina, &h->sin_addr, sizeof(ina));lwip_freeaddrinfo(res);if (inet_aton(inet_ntoa(ina), &target_addr) == 0){rt_kprintf("ping: unknown host %s\n", target_name);return -RT_ERROR;}/* new a socket */if ((s = lwip_socket(AF_INET, SOCK_RAW, IP_PROTO_ICMP)) < 0){rt_kprintf("ping: create socket failed\n");return -RT_ERROR;}lwip_setsockopt(s, SOL_SOCKET, SO_RCVTIMEO, &timeout, sizeof(timeout));while (1){int elapsed_time;if (lwip_ping_send(s, &target_addr, size) == ERR_OK){recv_start_tick = rt_tick_get();if ((recv_len = lwip_ping_recv(s, &ttl)) >= 0){elapsed_time = (rt_tick_get() - recv_start_tick) * 1000UL / RT_TICK_PER_SECOND;rt_kprintf("%d bytes from %s icmp_seq=%d ttl=%d time=%d ms\n", recv_len, inet_ntoa(ina), send_times,ttl, elapsed_time);}else{rt_kprintf("From %s icmp_seq=%d timeout\n", inet_ntoa(ina), send_times);}}else{rt_kprintf("Send %s - error\n", inet_ntoa(ina));}send_times++;if (send_times >= times){/* send ping times reached, stop */break;}rt_thread_delay(PING_DELAY); /* take a delay */}lwip_close(s);return RT_EOK; }/* Ping using the socket ip */ err_t lwip_ping_send(int s, ip_addr_t *addr, int size) {int err;struct icmp_echo_hdr *iecho;struct sockaddr_in to;int ping_size = sizeof(struct icmp_echo_hdr) + size;LWIP_ASSERT("ping_size is too big", ping_size <= 0xffff);iecho = rt_malloc(ping_size);if (iecho == RT_NULL){return ERR_MEM;}ping_prepare_echo(iecho, (u16_t) ping_size);to.sin_len = sizeof(to);to.sin_family = AF_INET; #if LWIP_IPV4 && LWIP_IPV6to.sin_addr.s_addr = addr->u_addr.ip4.addr; #elif LWIP_IPV4to.sin_addr.s_addr = addr->addr; #elif LWIP_IPV6 #error Not supported IPv6. #endiferr = lwip_sendto(s, iecho, ping_size, 0, (struct sockaddr*) &to, sizeof(to));rt_free(iecho);return (err == ping_size ? ERR_OK : ERR_VAL); }int lwip_ping_recv(int s, int *ttl) {char buf[64];int fromlen = sizeof(struct sockaddr_in), len;struct sockaddr_in from;struct ip_hdr *iphdr;struct icmp_echo_hdr *iecho;while ((len = lwip_recvfrom(s, buf, sizeof(buf), 0, (struct sockaddr*) &from, (socklen_t*) &fromlen)) > 0){if (len >= (int)(sizeof(struct ip_hdr) + sizeof(struct icmp_echo_hdr))){iphdr = (struct ip_hdr *) buf;iecho = (struct icmp_echo_hdr *) (buf + (IPH_HL(iphdr) * 4));if ((iecho->id == PING_ID) && (iecho->seqno == htons(ping_seq_num))){*ttl = iphdr->_ttl;return len;}}}return len; }/** Prepare a echo ICMP request */ static void ping_prepare_echo( struct icmp_echo_hdr *iecho, u16_t len) {size_t i;size_t data_len = len - sizeof(struct icmp_echo_hdr);ICMPH_TYPE_SET(iecho, ICMP_ECHO);ICMPH_CODE_SET(iecho, 0);iecho->chksum = 0;iecho->id = PING_ID;iecho->seqno = htons(++ping_seq_num);/* fill the additional data buffer with some data */for (i = 0; i < data_len; i++){((char*) iecho)[sizeof(struct icmp_echo_hdr) + i] = (char) i;}#ifdef RT_LWIP_USING_HW_CHECKSUMiecho->chksum = 0; #elseiecho->chksum = inet_chksum(iecho, len); #endif}3.5 ICMP洪水攻擊
如果在執(zhí)行ping命令時，加大ping數(shù)據(jù)包的大小（以太網(wǎng)MTU即1500 - IP首部大小20 - ICMP首部大小8 = ping數(shù)據(jù)包大小1472字節(jié)），我們的板子就ping不通了，如下圖所示：
由于在協(xié)議棧內(nèi)部為數(shù)據(jù)報接收而預留的空間并不能放下如此大的一個ICMP數(shù)據(jù)報文，或者如此大的一個ICMP報文在分片重裝過程中超出了重裝條件的限制（如LwIP中的pbuf使用個數(shù)限制），協(xié)議棧會直接將報文丟棄，不做任何回應，將導致主機一直接收不到ICMP回送應答，這就是ICMP洪水攻擊的雛形。
ICMP洪水攻擊的原理可以看成是網(wǎng)絡(luò)黑客利用其能控制的多臺中間人計算機（傀儡主機，也稱之為肉雞）一起向目標主機發(fā)送大量看似合法的ICMP回送請求數(shù)據(jù)包，造成目標主機網(wǎng)絡(luò)阻塞或服務(wù)器資源耗盡而導致拒絕服務(wù)產(chǎn)生，無法對正常用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。另一方面，合法的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報被虛假的數(shù)據(jù)報淹沒而無法在網(wǎng)絡(luò)中被轉(zhuǎn)發(fā)，合法的用戶不能正常使用網(wǎng)絡(luò)。
對于ICMP洪水攻擊，可以采取兩種方法進行防范：第一種方法是在路由器上對ICMP數(shù)據(jù)包進行帶寬限制，將ICMP占用的帶寬控制在一定范圍內(nèi)，這樣即使有ICMP攻擊，它所占用的帶寬也是非常有限的，對整個網(wǎng)絡(luò)的影響將會非常小；第二種方法是在主機上設(shè)置ICMP數(shù)據(jù)包的處理規(guī)則，如果允許，可以拒絕向所有的ICMP數(shù)據(jù)包服務(wù)。
更多文章
- 《qemu-vexpress-a9 for LwIP stack》
- 《TCP/IP協(xié)議棧之LwIP（三）—網(wǎng)際尋址與路由》
- 《TCP/IP協(xié)議棧之LwIP（五）—網(wǎng)絡(luò)傳輸管理之UDP協(xié)議》
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的TCP/IP协议栈之LwIP（四）---网络诊断与状态查询（ICMPv4 + ICMPv6）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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