ICMP 协议分析 - 技术栈

主要内容参照12. 网际控制报文协议ICMP --- [野火]LwIP应用开发实战指南---基于野火STM32 文档，整理出来自用。

在 TCP/IP 协议栈中，ICMP 是保障网络通信可感知、可诊断的关键协议。它弥补了 IP 协议 "无连接、不可靠" 的缺陷，成为网络层故障排查与状态交互的核心工具。

一、ICMP 功能

IP 协议仅负责数据交付，不关心数据是否到达、为何失败。ICMP 的核心作用就是为 IP 协议补充反馈机制，主要体现在两点：

差错报告：当 IP 数据报因网络不可达、TTL 耗尽、端口未开放等原因无法交付时，路由器 / 目标主机会通过 ICMP 向源主机返回差错报文（如 "目的不可达""超时"），避免数据 "石沉大海"。
网络查询 ：支持主机间主动交互网络状态，最典型的就是ping命令 ------ 通过 "回显请求 / 应答" 报文验证目标主机是否可达，是网络调试的常用工具。

需注意：ICMP 本身不传输用户数据，也不纠正错误，仅负责 "报告问题"；且 ICMP 报文需封装在 IP 数据报中传输，因此同样受 IP 协议 "不可靠" 特性影响，可能被丢弃。

二、ICMP 报文结构：8 字节首部 + 可变数据

ICMP 报文通过 "两次封装" 传输（以太网帧→IP 数据报→ICMP 报文），其结构分为首部（固定 8 字节） 和数据区域（可变长度） ：

字段	字节数	功能说明
类型（Type）	1	标识 ICMP 报文用途（如 3 = 目的不可达、8 = 回显请求、0 = 回显应答）
代码（Code）	1	进一步细化原因（如类型 3 "目的不可达" 中，代码 3 = 端口不可达、代码 4 = 需要分片）
校验和	2	验证整个 ICMP 报文（含数据区）的传输完整性，计算方式与 IP 首部一致
可选字段	4	随报文类型变化（如回显报文用 "标识符 + 序列号" 匹配请求与应答）
数据区域	可变	差错报文需携带 "IP 首部 + IP 数据前 8 字节"（用于源主机定位故障数据包）；查询报文则携带自定义数据

三、ICMP 报文类型

ICMP 报文按功能分为差错报告报文 和查询报文，实际开发中需重点关注以下常用类型：

报文分类	类型值	名称	核心用途
差错报告	3	目的不可达	路由器 / 主机无法转发数据（如网络不可达、端口不可达）
差错报告	11	超时	TTL 耗尽（转发超时）或 IP 分片未按时重组（重组超时）
差错报告	12	参数错误	IP 首部格式错误（如字段非法）
查询报文	8/0	回显请求 / 应答	`ping`命令核心：请求端发 8，应答端回 0，验证主机可达性
查询报文	9/10	路由器询问 / 通告	主机获取默认路由（现多被 DHCP 替代）

四、LwIP 中的 ICMP 实现

LwIP 作为嵌入式常用的轻量级 TCP/IP 协议栈，仅实现 ICMP 核心功能（聚焦差错报告与ping支持），以下是关键实现细节。

1. 核心数据结构

LwIP 用icmp_echo_hdr结构体描述 ICMP 首部（复用为所有类型报文的首部模板），并通过宏定义简化字段操作：

复制代码

// ICMP首部结构体（以回显报文为模板）
PACK_STRUCT_BEGIN
struct icmp_echo_hdr {
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t type);    // 类型
    PACK_STRUCT_FLD_8(u8_t code);    // 代码
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t chksum); // 校验和
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t id);     // 标识符（匹配ping请求/应答）
    PACK_STRUCT_FIELD(u16_t seqno);  // 序列号（记录ping包顺序）
} PACK_STRUCT_STRUCT;
PACK_STRUCT_END

// 常用类型宏定义
#define ICMP_ER   0    // 回显应答
#define ICMP_DUR  3    // 目的不可达
#define ICMP_ECHO 8    // 回显请求
#define ICMP_TE  11    // 超时

2. 差错报文发送

当 IP 数据报处理失败时，LwIP 通过专用函数发送差错报文，核心逻辑是 "封装 ICMP 首部 + 复制故障 IP 数据报关键信息"：

复制代码

// 发送"目的不可达"报文
void icmp_dest_unreach(struct pbuf *p, enum icmp_dur_type t) {
    MIB2_STATS_INC(mib2.icmpoutdestunreachs);
    icmp_send_response(p, ICMP_DUR, t); // 复用发送逻辑
}

// 核心发送函数：申请缓冲区→填写首部→拷贝IP关键数据→发送
static void icmp_send_response(struct pbuf *p, u8_t type, u8_t code) {
    struct pbuf *q = pbuf_alloc(PBUF_IP, sizeof(struct icmp_echo_hdr) + IP_HLEN + 8, PBUF_RAM);
    if (q == NULL) return; // 内存申请失败
    
    struct icmp_echo_hdr *icmphdr = (struct icmp_echo_hdr *)q->payload;
    icmphdr->type = type;   // 填写差错类型
    icmphdr->code = code;   // 填写具体原因
    icmphdr->chksum = 0;    // 校验和后续计算
    
    // 拷贝故障IP数据报的"首部+前8字节数据"（用于源主机定位问题）
    SMEMCPY((u8_t *)q->payload + sizeof(struct icmp_echo_hdr), 
            (u8_t *)p->payload, IP_HLEN + 8);
    
    ip4_output_if(q, NULL, &iphdr_src, ICMP_TTL, 0, IP_PROTO_ICMP, netif); // 发送
    pbuf_free(q);
}

3. 报文处理

LwIP 的icmp_input()函数是 ICMP 报文的入口，仅处理 "回显请求"（支持ping），其他类型直接丢弃：

复制代码

void icmp_input(struct pbuf *p, struct netif *inp) {
    u8_t type = *((u8_t *)p->payload); // 读取报文类型
    
    switch (type) {
        case ICMP_ECHO: // 处理ping请求
            struct icmp_echo_hdr *iecho = (struct icmp_echo_hdr *)p->payload;
            // 1. 调整报文：类型改为"回显应答（0）"，交换源/目的IP
            ICMPH_TYPE_SET(iecho, ICMP_ER);
            ip4_addr_swap(&iphdr->src, &iphdr->dest);
            // 2. 计算校验和，发送应答
            iecho->chksum = 0;
            ip4_output_if(p, src, LWIP_IP_HDRINCL, ICMP_TTL, 0, IP_PROTO_ICMP, inp);
            break;
        default: // 其他类型（如重定向、时间戳）直接丢弃
            ICMP_STATS_INC(icmp.drop);
            break;
    }
    pbuf_free(p);
}