TCP/IP学习笔记之三 --- 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。其是一种不可靠、无连接的数据报传送服务。

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。

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。

1、IP首部

最高位在左边，记为0bit；最低位在右边，记为31bit。4个字节的32bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作bigendian字节序。

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，因此首部最长为60个字节。

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。现在大多数的TCP/IP实现都不支持TOS特性，但是自4.3BSDReno以后的新版系统都对它进行了设置。

总长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。总长度字段是IP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。

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。

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。

协议字段被IP用来对数据报进行分用，可以识别哪个协议向IP传送数据。

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。ICMP、IGMP、UDP和TCP都采用相同的检验和算法。

每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址。

最后一个字段是任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。

2、IP路由选择
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，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。

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。

3、子网寻址
现在所有的主机都要求支持子网编址。不是把IP地址看成由单纯的一个网络号和一个主机号组成，而是把主机号再分成一个子网号和一个主机号。
原因：因为A类和B类地址为主机号分配了太多的空间，可分别容纳的主机数为2^24-2和2^16-2。事实上，在一个网络中人们并不安排这么多的主机由于全0或全1的主机号都是无效的，因此总数减去2。

4、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32bit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。

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。