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(见图 1 - 4)

不可靠
- 不能保证IP数据报能成功地到达目的地
- IP仅仅提供最好的传输服务
- 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
无连接
- IP并不维护后续数据报的状态信息
- 每个数据报的处理是相互独立的
  - 一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报(A,B) 每个数据报都是独立的进行路由选择,可能选择不同的路线,因此B有可能在A之前到达

1. IP数据报结构

在这里插入图片描述

IP首部数据报结构

普通的IP首部长为20个字节,除非含有选项字段.
- 版本 (4bit)
  - 目前版本号为4 故IP又被称作IPv4
- 首部长度(4bit)
  - 首部占32bit字的数目,包括任何选项最长为60字节
- TOS 服务类型 (8bit)
  - 优先权子字段(3bit)
    - 被忽略
  - 最小时延(1bit)
  - 最大吞吐量(1bit)
  - 最高可靠性(1bit)
  - 最小费用(1bit)
    - 这四位只能同时只能置其一位如果4位均为0 则意味是一般服务
    - 查阅TOS推荐值表
  - 未用位(1bit)
    - 必须置位0
- 总长度(16bit)
  - IP数据报的长度以字节为单位所以IP数据报最长可达65535字节
- 标识(16bit)
  - 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值加1
- 标志(3bit)
  - 分片与重组使用
- 片偏移(13bit)
  - 分片与重组使用
- TTL 生存时间(8bit)
  - 设置数据报可以经过最多路由器数
  - 指定了数据报的生存时间
  - 初始值由源主机设置(一般为32/64)
  - 每经过一个路由器值减1
  - 数据为0 数据报被丢弃并发送ICMP报文给源主机
- 协议(8bit)
  - IP对数据报进行分用
  - 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.
- 首部校验和(16bit)
  - 首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码.
  - 它不对首部后面的数据进行计算.
- 源IP地址(32bit)
- 目的地IP地址(32bit)
- 选项[如果有]
  - 安全和处理限制
  - 记录路径
  - 时间戳
  - 宽松的源站选路
  - 严格的源站选路
  - 选项字段一直都是以32bit作为界限,必要时候插入值0的填充
    - 保证IP首部始终是32bit的整数倍
  - 并非所有的主机和路由器都支持这些选项

协议分类:

    #define IPPROTO_IP 0 /* dummy for IP */
    #define IPPROTO_ICMP 1 /* control message protocol */
    #define IPPROTO_IGMP 2 /* internet group management protocol */
    #define IPPROTO_GGP 3 /* gateway^2 (deprecated) */
    #define IPPROTO_TCP 6 /* tcp */
    #define IPPROTO_PUP 12 /* pup */
    #define IPPROTO_UDP 17 /* user datagram protocol */
    #define IPPROTO_IDP 22 /* xns idp */
    #define IPPROTO_ND 77 /* UNOFFICIAL net disk proto */
    #define IPPROTO_RAW 255 /* raw IP packet */
    #define IPPROTO_MAX 256

2. IP路由选择

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,像对待发出的数据报一样处理);
-  (2)数据报被丢弃.

路由表中每一项都包含下面的这些信息:

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-hop router)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 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,还是一个直接连的接口.
为数据报的传输指定一个网络接口

IP路由选择是逐跳地(hop - by - hop)进行的.从这个路由表信息可以看出, IP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地).
所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的IP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.

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 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).
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.

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.

IP 路由选择特性:

默认路由,以及下一站路由器发送的ICMP间接报文.
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.
数据报中的目的IP地址始终不发生任何变化
- 除开使用源路由选项时,目的IP地址才有可能被修改.
- 所有的路由选择决策都是基于这个目的IP地址
每个链路层可能具有不同的数据帧首部
- 链路层的目的地址(如果有)始终指向的是下一站的链路层地址
- SLIP链路并没有这样做,以太网地址一般通过ARP获得

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.
在InterNIC获得某类IP网络号后,就由当地的系统管理员来进行分配,由他(或她)来决定是否建立子网,以及分配多少比特给子网号和主机号.

子网对外部路由器来说隐藏了内部网络组织(一个校园或公司内部)的细节.
子网对于子网内部的路由器是不透明的

子网的作用是可以缩小Internet路由表的规模
例如(B类网络地址):

B类网络地址(140.252),在剩下的16bit中, 8bit用于子网号, 8bit用于主机号.

在这里插入图片描述

3.1 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.

B类地址的两种不同的子网掩码格式:
在这里插入图片描述

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.
  而根据子网掩码就可知道子网号与主机号之间的分界线

假设我们的主机地址是140.252.1.1(一个B类地址),而子网掩码为255.255.255.0(其中8bit为子网号,8bit为主机号).