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IP 网际协议

IP 是 TCP/IP 协议族中最为核心的协议。所有的 TCP、UDP、ICMP 及 IGMP 数据都以 IP 数据报格式传输。

核心：

  • IP 首部
  • IP 路由选择
  • 子网寻址
  • 子网掩码

特点

不可靠（unreliable）的意思是它不能保证 IP 数据报能成功地到达目的地。IP 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，IP 有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 ICMP 消息报给信源端。 任何要求的可靠性必须由上层来提供（如 TCP）。

无连接（connectionless）这个术语的意思是 IP 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，IP 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。

了解的名词

  • 网络字节序
  • IP 层路由表
  • IP TTL (time to live)
  • 无类别的域间路由选择 CIDR（Classless Interdomain Routing）
  • IP 路由选择
  • 子网编址
  • 子网寻址
  • 子网掩码 也是一个 32 位二进制数字，它的网络部分全部为 1，主机部分全部为 0。
  • ifconfig 命令
  • netstat 命令

IP 首部

图 3-1 IP 数据报格式及首部中的各字段

TCP-IP-3-1.png

4 位版本

目前的协议版本号是 4，因此 IP 有时也称作 IPv4。首部长度指的是首部占32bit字的数目，包括任何选项。 由于它是一个 4 比特字段，因此首部最长（包括任何选项）为 60 个字节。

4 首部长度

首部长度指的是首部占32bit字的数目

2 的 4 次方=16-1=15(0-15)，总字节=32*15=480 bit,480/8=60 字节。因此 IP 数据报文的总长度是 60 字节(480bit)。

IP 首部占用 20*8=160bit, 480-160=320, 320/8=40 字节(选项)

8 位服务类型

服务类型（TOS）字段包括一个 3bit 的优先权子字段（现在已被忽略），4bit 的 TOS 子字 段和 1bit 未用位但必须置 0。4bit 的 TOS 分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最 小费用。4bit 中只能置其中 1bit。如果所有 4bit 均为 0，那么就意味着是一般服务。

16 位总长度

总长度字段是指整个 IP 数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段，就可以知道 IP 数据报中数据内容的起始位置和长度。 由于该字段长 16 比特，所以 IP 数据报最长可达 65535 字节当数据报被分片时，该字段的值也随着变化。

16 位标示

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。

3 位标示

13 位偏倚

8 位生存时间

TTL（time-to-live）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。TTL 的初始值由源主机设置（通常为 32 或 64），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 ICMP 报文通知源主机。

8 位协议

由于 TCP、UDP、ICMP 和 IGMP 都要向 IP 传送数据，因此 IP 必须在生成的 IP 首部中加入某种标识，以表明数据属于哪一层。 为此，IP 在首部中存入一个长度为 8bit 的数值，称作协议域。1 表示为ICMP协议，2 表示为IGMP协议，6 表示为TCP协议，17 表示为UDP协议。

16 位首部校验和

为了计算一份数据报的 IP 检验和，首先把检验和字段置为 0。然后，对首部中每个 16bit进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串 16bit 的字组成），结果存在检验和字段中。 当收到一份 IP 数据报后，同样对首部中每个 16bit 进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过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 IP 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。

ICMP、IGMP、UDP 和 TCP 都采用相同的检验和算法，尽管 TCP 和 UDP 除了本身的首部和数据外，在 IP 首部中还包含不同的字段。

任选项

任选项是数据报中的一个可变长的可选信息。目前，这些任选项定义如下：

• 安全和处理限制（用于军事领域，详细内容参见 RFC1108[Kent1991]） • 记录路径（让每个路由器都记下它的 IP 地址，见 7.3 节） • 时间戳（让每个路由器都记下它的 IP 地址和时间，见 7.4 节） • 宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的 IP 地址，见 8.5 节） • 严格的源站选路（与宽松的源站选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址）。

这些选项很少被使用，并非所有的主机和路由器都支持这些选项。 选项字段一直都是以 32bit 作为界限，在必要的时候插入值为 0 的填充字节。这样就保证 IP 首部始终是 32bit 的整数倍（这是首部长度字段所要求的）。

网络字节序

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 16 ～ 23 bit，最后是 24~31 bit。 这种传输次序称作 big endian 字节序。由于 TCP/IP 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。

little-big-endian.jpg

IP 路由选择

从概念上说，IP 路由选择是简单的，特别对于主机来说。如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或都在一个共享网络上（以太网或令牌环网）， 那么 IP 数据报就直接送到目的主机上。否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。大多数的主机都是采用这种简单机制。

在一般的体制中，IP 可以从 TCP、UDP、ICMP 和 IGMP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。IP 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， IP 首先检查目的 IP 地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。 如果确实是这样，数据报就被送到由 IP 首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是这些地址，那么

-（1）如果 IP 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 IP 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（如下所述）。 主机地址有一个非 0 的主机号（见图 1-5），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（或下一跳）路由器（next-hoprouter）的 IP 地址，或者有直接连接的网络 IP 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 IP 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

IP 路由选择主要完成以下这些功能：

  • 1)搜索路由表，寻找能与目的 IP 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）。
  • 2)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。
  • 3)搜索路由表，寻找标为默认（default）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。

路由表

Linux 查看路由表的例子:

[root@web1992 ~]# route -n
Kernel IP routing table
Destination     Gateway         Genmask         Flags Metric Ref    Use Iface
0.0.0.0         172.19.175.253  0.0.0.0         UG    0      0        0 eth0
10.0.9.0        0.0.0.0         255.255.255.0   U     0      0        0 docker0
10.0.10.0       10.0.10.0       255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
10.0.15.0       10.0.15.0       255.255.255.0   UG    0      0        0 flannel.1
169.254.0.0     0.0.0.0         255.255.0.0     U     1002   0        0 eth0
172.19.160.0    0.0.0.0         255.255.240.0   U     0      0        0 eth0

子网寻址

许多管理员采用自然的划分方法，即把 B 类地址中留给主机的 16 bit 中的前 8 bit 作为子网 地址，后 8 bit 作为主机号。这样用点分十进制方法表示的 IP 地址就可以比较容易确定子网号。 但是，并不要求 A 类或 B 类地址的子网划分都要以字节为划分界限。

子网掩码

除了 IP 地址以外，主机还需要知道有多少比特用于子网号及多少比特用于主机号。这是 在引导过程中通过子网掩码来确定的。这个掩码是一个 32 bit 的值，其中值为 1 的比特留给网络号和子网号，为 0 的比特留给主机号。

根据 RFC950 定义，子网掩码是一个 32 位的 2 进制数， 其对应网络地址的所有位都置为 1，对应于主机地址的所有位都置为 0。

图 3-7 两种不同的 B 类地址子网掩码的例子

TCP-IP-3-7.png

尽管 IP 地址一般以点分十进制方法表示，但是子网掩码却经常用十六进制来表示，特别 是当界限不是一个字节时，因为子网掩码是一个比特掩码。 给定 IP 地址和子网掩码以后，主机就可以确定 IP 数据报的目的是：

  1. 本子网上的主机；
  2. 本网络中其他子网中的主机；
  3. 其他网络上的主机。

如果知道本机的 IP 地址，那么就知道它是否为 A 类、B 类或 C 类地址(从 IP 地址的高位可以得知)， 也就知道网络号和子网号之间的分界线。

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