TCP/IP学习笔记之IP(网际协议)
1、引言
I P是T C P / I P协议族中最为核心的协议。所有的T C P、U D P、I C M P及I G M P数据都以I P数据报格式传输 。
特点：提供不可靠、无连接的数据报传送服务。
不可靠（u n r e l i a b l e）：意思是它不能保证 I P数据报能成功地到达目的地。 I P仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， I P有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 I C M P消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如T C P）。
无连接（c o n n e c t i o n l e s s）：意思是I P并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， I P数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源
向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是 A，然后是B） ，每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。
2、IP首部
IP数据报的格式如下图所示，普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。
(图1) IP数据报格式及首部中的各字段
分析(图1)中的首部。最高位在左边，记为0 bit；最低位在右边，记为31 bit。
4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7 bit，其次8～15 bit，然后1 6～23 bit，最后是24~31 bit。这种传输次序称作big endian字节序。由于T C P / I P首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器，如little endian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。
4位版本：
占4位，指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议版本必须一致。日前广泛使用的 IP协议版本号为 4 (即 IPv4)。IPv6 目前还处于起步阶段。
‚4位首部长度：
占 4 位，可表示的最大十进制数值是 15。请注意，这个字段所表示数的单位是32位字 ( 1 个32位字长是4 字节)，因此，当 IP 的首部长度为 1111 时 (即十进制的 15)，首部长度就达到 60字节。当 IP 分组的首部长度不是4字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。因此数据部分永远在4字节的整数倍开始，这样在实现 IP协议时较为方便。
首部长度限制为 60字节的缺点是有时可能不够用。这样做的目的是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是 20 字节 (即首部长度为 0101)，这时不使用任何选项。
ƒ8位服务类型：
服务类型（TO S）字段包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略） ，4 bit的TO S子字段和1 bit未用位但必须置0。4 bit的TO S分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均为0，那么就意味着是一般服务。
(图2)对不同应用建议的TO S值(仅供参考，因为目前很多T C P / I P实现都不支持TO S特性)：
(图2)服务类型字段推荐值
④16位总长度：
总长度指首都及数据之和的长度，单位为字节。因为总长度字段为 16位，所以数据报的最大长度为 216-1=65 535字节。 在IP层下面的每一种数据链路层都有自己的帧格式，其中包括帧格式中的数据字段的最大长度，即最大传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit)。当一个数据报封装成链路层的帧时，此数据报的总长度 (即首部加上数据部分)一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。
总长度字段是I P首部中必要的内容，因为一些数据链路（如以太网）需要填充一些数据
以达到最小长度。尽管以太网的最小帧长为 4 6字节（见图2 - 1） ，但是I P数据可能会更短。如果没有总长度字段，那么I P层就不知道4 6字节中有多少是I P数据报的内容。
⑤16位标识：
占 16位。即标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加 1。IP软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。但这个“标识”并不是序号，因为 IP是无连接的服务，数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的 MTU 而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报。
⑥标志 (Flag)：
占3 位，但目前只有2位有意义。标志字段中的最低位记为 MF (More Fragment)。MF=1即表示后面“还有分片”的数据报。MF=0表示这已是若干数据报片 中的最后一个。标志字段中间的一位记为 DF(Don't Fragment)，意思是“不能分片”。只有当 DF=0时才允许分片。
⑦片偏移：
占 13位。较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。也就是说，相对用户数据字段的起点，该片从何处开始。片偏移以 8个字节为偏移单位。这就是说，每个分片的长度一定是 8字节 (64位)的整数倍。
⑧生存时间：
占8位，生存时间字段常用的英文缩写是 TTL (Time To Live)，其表明数据报在网络中的寿命。由发出数据报的源点设置这个字段。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在因特网中兜围子，因而白白消耗网络资源。生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间。T T L的初始值由源主机设置（通常为3 2或6 4） ，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值为0时，数据报就被丢弃，并发送 I C M P报文通知源主机。
⑨协议：
占 8 位，协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。
⑩首部检验和：
占 16位。首部检验和字段是根据I P首部计算的检验和码。它不对首部后面的数据进行算。I C M P、I G M P、U D P和T C P在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。
首部检验和计算公式：首先把检验和字段置为 0。然后，对首部中每个 16 bit进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串 16 bit的字组成） ，结果存在检验和字段中。当收到一份I P数据报后，同样对首部中每个16 bit进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过下载程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，
那么接收方计算的结果应该为全 1。如果结果不是全1（即检验和错误） ，那么I P就丢弃收到的数据报。但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。
⑾源地址：占32位。
⑿目的地址：占 32位。
选项与数据：（IP数据报首部的可变部分）
IP首都的可变部分就是一个可选字段。选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。此字段的长度可变，从 1 个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目。某些选项只需要 1 个字节，它只包括 1 个字节的选项代码。但还有些选项需要多个字节，这些选项一个个拼接起来，中间不需要有分隔符，最后用全0 的填充字段补齐成为 4字节的整数倍。 增加首都的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能，但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用。新的 IPv6就将 IP数据报的首部长度做成固定的。
备注：
①IP数据包指的是第三层的PDU，IP首部只是其中的一部分，是在第三层网络层上加上去的，是给路由器看的。
②IP数据包的总长度过大，超过链路的最大MTU时，数据包就会被分成多片，而在如今的IPv4的网络中，数据传输时不可靠的，是尽力而为的，所以这些分片的数据单元到达对端的链路和时间都是不同的，
③对端根据IP首部中的标示符（Identification）、标志（Flag）、段偏置值字段重组数据包。
3、IP路由选择
在一般的体制中，I P可以从T C P、U D P、I C M P和I G M P接收数据报（即在本地生成的数据报）并进行发送，或者从一个网络接口接收数据报（待转发的数据报）并进行发送。 I P层在内存中有一个路由表。当收到一份数据报并进行发送时，它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时，I P首先检查目的I P地址是否为本机的I P地址之一或者I P广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到由 I P首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如目的不是这些地址，那么（1）如果I P层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发（也就是说，像下面对待发出的数据报一样处理）；否则（ 2）数据报被丢弃。
路由表中的每一项都包含下面这些信息：
• 目的I P地址。它既可以是一个完整的主机地址，也可以是一个网络地址，由该表目中的标志字段来指定 。主机地址有一个非0的主机号，以指定某一特定的主机，而网络地址中的主机号为0，以指定网络中的所有主机（如以太网，令牌环网） 。
• 下一站（下一跳）路由器（ next-hop router）的I P地址，或有直接连接的网络 I P地址。下一站路由器是指一个在直接相连网络上的路由器，通过它可以转发数据报。下一站路由器不是最终的目的，但是它可以把传送给它的数据报转发到最终目的。
• 标志。其中一个标志指明目的 I P地址是网络地址还是主机地址，另一个标志指明下一
站路由器是否为真正的下一站路由器，还是一个直接相连的接口。
• 为数据报的传输指定一个网络接口。
I P路由选择是逐跳地（h o p - b y - h o p）进行的。从这个路由表信息可以看出， I P并不知道到达任何目的的完整路径（当然，除了那些与主机直接相连的目的）。所有的I P路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的 I P地址。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的，而且下一站路由器与该主机是直接相连的。
I P路由选择主要完成以下这些功能：
• 搜索路由表，寻找能与目的I P地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配）。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值） 。
• 搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目。如果找到，则把报文发送给该表目
指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值） 。目的网络上的所
有主机都可以通过这个表目来处置。例如，一个以太网上的所有主机都是通过这种表目进行寻径的。这种搜索网络的匹配方法必须考虑可能的子网掩码。
• 搜索路由表，寻找标为“默认（ d e f a u l t） ”的表目。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。
如果上面这些步骤都没有成功，那么该数据报就不能被传送。如果不能传送的数据报来自
本机，那么一般会向生成数据报的应用程序返回一个“主机不可达”或“网络不可达”的错误。
完整主机地址匹配在网络号匹配之前执行。只有当它们都失败后才选择默认路由。默认路由，以及下一站路由器发送的 I C M P间接报文（如果我们为数据报选择了错误的默认路由），是I P路由选择机制中功能强大的特性在一般的体制中，I P可以从T C P、U D P、I C M P和I G M P接收数据报（即在本地生成的数据报）并进行发送，或者从一个网络接口接收数据报（待转发的数据报）并进行发送。
为一个网络指定一个路由器，而不必为每个主机指定一个路由器，这是 I P路由选择机制的另一个基本特性。这样做可以极大地缩小路由表的规模，比如 I n t e r n e t上的路由器有只有几千个表目，而不会是超过1 0 0万个表目。
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作者：tdyizhen1314
(现从事LED行业，专注于户外大型LED显示屏控制系统的研发，希望与大家一起交流，共
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