TCP/IP协议详解笔记——IP协议

简介

TCP/IP协议族中最核心的协议，提供不可靠、无连接的数据报传输服务。

• 不可靠：不能保证IP数据报能成功送达。
• 无连接：并不维护后续数据报的状态信息，每个数据报的处理都是相互独立。数据报可能不会按照发送顺序接收。同一站点向另一站点发送的多个数据报可能经过不同的路由到达。

帧格式

IP数据报格式如下。

 

• 版本：IP协议版本号，目前为4。故称为IPv4.
• 首部长度：以4字节为单位。最小值为5，不包含可选字段的IP首部大小为20字节。最大值为15，故IP首部最大长度为60字节。
• 服务类型(TOS)：3bit优先权(已被忽略)，4bit的TOS字段，1bit未用(0)。4bit的TOS分别为最小时延、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用。4bit中只能置其中一个为1。全零时表示一般服务。现在大多数TCP/IP实现都不支持TOS特性，但是无线中QoS有用到该字段。
• 总长度：整个IP数据报的长度，以字节为单位。16bit，可知IP数据报最大长度为65535字节。
• 标识符：唯一标示一份IP数据报。通常值递增。
• 标志位：
• 片偏移：
• TTL：time to live，生存时间。设置了数据报可以经过的最多路由器数。由源主机设置，每经过一个路由器，该值减一，当值为0时，被丢弃。并发送ICMP报文通知源主机。
• 协议：标示基于IP的协议。ICMP：1，IGMP：2，TCP：6，UDP：17。
• 首部校验和：根据IP首部计算的校验和，不对首部后面的数据进行计算。先置检验和为0，按照16bit进行二进制反码求和，结果存放于检验和字段中。
• 源IP地址
• 目的IP地址
• 可选字段：

安全和处理限制（用于军事领域，详见RFC 1108）

记录路径（让每个路由器都记下它的IP地址）

时间戳（让每个路由器都记下它的IP地址和时间）

宽松的源站选录（为数据报指定一系列必须经过的IP地址）

严格的源站选录（只能经过指定的这些地址）

可选字段必须是32bit的整数倍，必要时需要插入0进行填充，因为IP首部始终是32bit的整数倍（这是首部长度字段要求的）

IP路由选择

对于主机，如果目的主机和源主机直接相连，或者处于同一个网络中，IP数据报就直接发送到目的主机。否则，主机将数据报发送给默认的路由器，由路由器来转发包。

IP层可以配置成路由器的功能，也可以配置成主机功能。区别是，主机不转发数据报，而路由器需要转发包。

IP层在内存中都有一个路由表，当收到数据报进行发送时，都要搜索该表。

路由表每项包含的信息：

• 目的IP地址。可以是主机地址，也可以是网络地址，由下述的标志来标示。
• 下一跳路由器的IP地址，或者是直接连接的接口。
• 标志。一个标志标示目的IP是网路地址还是主机地址，另一个标志指示下一站路由器是否为真正的下一站路由器，还是一个直连的接口。
• 为数据报的传输指定一个网络接口。

IP路由选择主要完成下面的功能：

1) 搜索路由表，寻找与目的IP完全匹配的条目。如果找到，则把报文发给下一站路由或者直连接口(取决于标志字段的值)

2) 搜索路由表，寻找与目的网络号匹配的条目。找到的处理同上。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）”的条目。如果找到，处理同上。

如果上述都没成功，则丢弃该包，并返回主机不可达或者网络不可达的错误。

数据包在传输过程中，经过不同的链路层或不同的网络会构造不同的链路层首部，但是IP部分不会更改（忽略路由器的NAT功能）。链路层的目的地址（如果有的话），始终是下一站的链路层地址。

子网寻址

最早：IP地址 = 网络号 + 主机号

子网编址：IP地址 = 网络号 + 子网号 + 主机号

子网对于子网以外的路由器都是透明的，对于子网内部的路由器不透明。

RFC 1009允许含有子网的一个网络使用多个子网掩码。

IP地址编址方案：将IP地址划分为A，B，C，D，E五类，其中A，B，C为基本类，D，E类作为多播和保留使用。

网络类别	最大网络数	IP地址范围	最大主机数	私有IP地址范围
A	126（2^7-2)	1.0.0.0--126.255.255.255	16777214	10.0.0.0--10.255.255.255
B	16384(2^14)	128.0.0.0--191.255.255.255	65534	172.16.0.0--172.31.255.255
C	2097152(2^21)	192.0.0.0--223.255.255.255	254	192.168.0.0--192.168.255.255

 

内部私有地址：

A类 10.0.0.0--10.255.255.255

B类 172.16.0.0--172.31.255.255

C类 192.168.0.0--192.168.255.255

特殊的IP地址：

0表示所有的比特为0，-1表示所有的比特位全为1，netid、subnetid和hostid分别表示不为全0或全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。