网络基本功（十四）：细说诊断工具ping

    ping的工作原理很简单，一台网络设备发送请求等待另一网络设备的回复，并记录下发送时间。接收到回复之后，就可以计算报文传输时间了。只要接收到回复就表示连接是正常的。耗费的时间喻示了路径长度。重复请求响应的一致性也表明了连接质量的可靠性。因此，ping回答了两个基本的问题：是否有连接？连接的质量如何？本文主要讨论这两个问题。

    正常的ping操作主要是两个特定的ICMP消息，ECHO_REQUEST和ECHO_REPLY。理论上，所有TCP/IP网络设备都应当通过返回报文来响应ECHO_REQUEST，但实际上并不总是如此。

    ping的解析:

    大多数操作系统版本，会一直发送ECHO_REQUESTs，直到中断为止。例如：

    这一过程被Ctrl-C中断，此时打印出汇总统计。

    上述结果中，针对每一个报文的回复给出了报文大小，来源，ICMP sequence number，TTL值，以及往返时间。其中，sequence number和往返时间对于评估基本连接状况来说是最有用的信息。

    当发送一个ECHO_REQUEST时，将发送时间记录在报文里，并复制到远端主机相应的ECHO_REPLY报文中。当接收到ECHO_REPLY时，通过比较当前时间与报文时间计算出耗费时间。如果没有收到符合该sequence number的报文，则认为该报文丢失。耗费时间长短以及变化范围取决于中间链路数量，速度，以及链路拥塞情况。

    你也可以用ping来粗略计算连接的吞吐量。在外网上发送两个不同大小的报文，通过-s选项来完成。时间长度的差别会反映大报文中额外数据所耗费的时间。例如，假设ping 100字节耗费30ms而ping 1100字节耗费60ms，因此，往返额外花费30ms单程额外花费15ms，多发送1000字节或8000比特。吞吐量近似为每15ms 8000比特或540，000bps。两个测量值之间的差异用来扣除开销。当然这一估算是非常粗略的，没有考虑到路径上其他数据流的情况，也没有考虑路径上所有链路的情况。

    TTL貌似可以估算一条路径上的跳数，但是这有一些问题。当发送报文时，TTL字段先被初始化接着经过路径上每个路由器都要递减。如果达到0，报文就被丢弃了。从而对所有报文生命周期有一定限制。因而在路由回环的过程中，报文不会无期限存在于网络上。不幸的是，TTL字段可能会，也可能不会被远端设备重置，如果重置，也没有一致性。因此，要使用TTL字段估算路径中的跳数需要知道详细的系统信息。

    通常一串稳定的回复意味着健康的连接。如果报文丢失或丢弃，可以在sequence number中看到跳数，以及丢失报文的编号。偶尔丢失一个报文不表示真的有什么问题。特别是跨越多台路由器或拥塞网络时。一个序列中的一个报文丢失或耗费明显更长时间是很正常的，这是因为路径中各条链路需对第一个报文做ARP解析。在ARP数据保存之后，后续报文就不会有这种开销。但是，如果丢失报文比例较大，则有可能路径上有问题。

    某些情况下会收到ICMP错误消息。通常来自路由器，这里面包含很有用的信息。例如，下例中，设备尝试访问一个不存在的网络上的设备：

    由于路由器没有到达该网络的路径，所以返回ICMP DESTINATION_HOST_UNREACHABLE信息。通常如果问题发生在运行ping命令的设备上，则会收到Destination Host Unreachable告警或 Destination Network Unreachable告警。如果问题发生在转发报文的设备上，则只会收到一条Destination Host Unreachable。

    下例中，尝试向一台已配置拒绝从源设备接收数据流的路由器发送数据：

    路由器上使用同样的过滤条件，但应用于离开网络的数据流，而不作用于inbound数据流。因此，没有消息发送。这时，ping就无法告诉你为什么报文没有收到回复。

    一些选项控制发送报文的速率和数量，-c选项允许用户指定发送报文的数量。例如，ping –c10会发送10个报文然后停止。这一命令在脚本中很有用处。

    命令-f和-l用于将报文泛洪到网络上。-f选项表明报文发送速率与接收主机能够处理速率相同。这一参数可用于链路压力测试或接口性能比较。

    -l选项用于计数，尽可能快的发送该数量报文，然后恢复正常。该命令用于测试处理泛洪的能力，需要root权限执行。

    -i选项用于用户在两个连续报文之间指定等待秒数。该命令对于将报文间隔开或用在脚本中非常有用。正常情况下，偶然的ping包对数据流的影响是很小的。但重复报文或报文泛洪影响就很大了。因此，使用以上选项时需谨慎。

    -n选项将输出限制为数字形式，这在碰见DNS问题时很有用。-v显示更详尽输出，较少输出为-q和-Q。

    -s选项指定发送数据的大小。但如果设置的太小，小于8，则报文中就没有空间留给时间戳了。设置报文大小能诊断有路径MTU(Maximum Transmission Unit)设置或分段而导致的问题。如果不使用该选项，ping默认是64字节。

    Network Troubleshooting Tools