IP-网际协议

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前言

在前面学习了数据链路层相关的知识点，接着学习IP网际协议相关知识。

网际协议

IP是TCP/IP协议族中最核心的协议，所有TCP、UDP、ICMP、IGMP数据都以IP数据报格式传输。IP是不可靠的，任何要求可靠性的服务必须由上层提供；IP是无连接的，其不维护任何关于后续数据报的状态信息，每个数据报的处理相互独立，数据报可以不按发送顺序接收。

IP首部

IP数据报格式如下图所示，普通的IP首部长20个字节，除非含有选项字段。

  • 目前版本号是4，即0100。
  • 首部长度指首部占32 bit字的数目，由于只有4 bit表示，因此最多表示60 (15 * 32 / 8)个字节。
  • 服务类型字段包括3 bit优先权子字段(现已被忽略)，4 bit的TOS子字段(4 bit分别代表最小时延、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用)，和1 bit未用位但必须置为0。
  • 总长度字段指整个IP数据报的长度，单位为字节；利用首部长度字段和总长度字段，可知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度；整个IP数据报最长可达65535 字节。
  • 标识字段唯一标识主机发送的每一份数据报，通常每发送一份报文其值就加1。
  • 标志字段使用1 bit表示更多的片，除最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把该比特置为1。
  • 片偏移字段指该片偏移原始数据报开始处的位置，当数据报被分片后，每个片的总长度值都要改为该片的长度值。
  • TTL生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数，指定了数据报的生存时间，每经过一个路由器，其值减1，当为0时，数据报将被丢弃。
  • 首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码，其不对后面的数据进行计算。若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全为1，若不全为1，则IP会丢弃数据报，由上层去发现丢失的数据报进行重传。
  • 每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址。
  • 选项字段为可变长度，可定义安全和处理限制、记录路径、时间戳、宽松的源站选路、严格的源站选路等。

IP路由选择

若目的主机和源主机直接相连或共享在一个网络上，那么IP数据报就直接送到目的主机上，否则，主机把数据报发往默认的路由器上，由路由器转发该数据报。一般来说，IP可以从TCP、UDP、ICMP、IGMP接收数据报(即在本地生成的数据报)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层在内存表中有一张路由表，当接收到数据报并进行转发时，都要搜索一次该表，当数据报来自某网络接口时，IP首先检查目的IP地址是否为本地IP地址之一或者IP广播地址。若是，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；若不是，则分两种情况处理
    • 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。
    • 数据报被丢弃。
  • 路由表中的每一项包含如下信息：
    • 目的IP地址。可以是完整的主机地址，也可以是网络地址，由该表目中的标志字段指定，主机地址中一个有非0主机号来指定某具体主机；而网络地址中的主机号为0，表示该网络中所有主机。
    • 下一站(下一跳)路由器的IP地址或有直接连接的网络IP地址。下一站路由指直接相连网络上的路由器，通过它可以转发数据报，其不是最终目的地，但其可把传递给它的数据报转发到最终目的地。
    • 标志(2 bit)。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个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路由选择完成功能如下：
    • 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)。若找到，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。
    • 搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目。若找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接相连的网络接口。
    • 搜索路由表，寻找标为默认的表目。若找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。

若上述步骤均未成功，那么该数据报就不能被传送，若不能传送的数据报来自本机，则会向应用程序返回一个主机不可达或网络不可达的错误，完全匹配的搜索优先于网络号搜索和默认搜索，并且在传输过程中，链路层的目的地址始终指向下一站的链路层地址(使用ARP获取)，而目的IP则始终都不会变化。

子网寻址

现在所有主机都要求支持子网编码，不再把IP地址由单纯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。如有一个B类网络地址(140.252)，在剩下的16 bit中，8 bit用于子网号，8 bit用于主机号，这样就允许254个子网和254台主机。当然也可采用其他方法进行划分，如子网号占10个字节，主机号占6个字节。

值得注意的是，子网划分对于所有子网以外的Internet路由器是透明的，而对于子网内部的路由器是不透明的。

子网掩码

除IP地址外，主机还需要知道有多少比特用于子网号以及多少比特用于主机号，这是在引导过程中通过子网掩码确定的，掩码是32 bit的值，其中值为1的比特留给网络号和子网号，为0的留给主机号。如对于B类地址，可设置子网掩码为0xffffff00 = 255.255.255.0(8位子网号和8位主机号)、0xffffffc0 = 255.255.255.192.0(10位子网号和6位主机号)。

  • 当给定IP地址和子网掩码后，就可以确定如下信息
    • 本子网上的主机。
    • 本网络中其他子网中的主机。
    • 其他网络上的主机。

知道本机IP地址后，可以确定其为A、B、C类地址，就可知道网络号和子网号之间的分界线(8/16/24)；而根据子网掩码就知道子网号和主机号之间的分界线(子网掩码全1长度)。

假定主机地址为140.252.1.1(B类地址)，子网掩码为255.255.255.0(8 bit为子网号，8 bit为主机号)，若目的IP地址为140.252.4.5，则网络号相同，但子网号不同；若目的IP地址为140.252.1.22，则网络号相同，子网号也相同，但是主机号不同；若目的IP地址为192.43.235.6，那么网络号不相同，则无需进行下一步比较。

特殊IP地址

经过子网划分后，存在7个特殊的IP地址。0表示所有的比特位全为0；-1表示所有比特位全为1；netid、subnetid、hostid分别表示不全为0或全为1的对应字段；子网号栏为空表示该地址没有进行子网划分。

命令

ifconfig

通过ifconfig命令可获取IP地址、广播地址、子网掩码等信息。

netstat

通过ifconfig命令可获取系统的接口信息(每个接口的MTU、输入分组数、输入错误、输出分组数、输出错误、冲突以及当前的输出队列长度)。

总结

本章详细讲解了IP的格式及介绍了各个字段含义，主机中的路由表在路由选择时非常重要，并且按照优先级查找表项，在传输过程中目的IP地址保持不变，而链路层地址每一站都会改变(指向下一站路由的链路层地址)，同时一般都会进行子网划分，通过子网掩码可以获取网络号位数和主机位数。