IP协议
IP详解
1、前言
网际协议（Internet Protocol，也称互联网协议）是用于分组交换数据网络的一种协议。
IP是在TCP/IP协议族中的网络层的主要协议，任务仅仅是根据源主机和目的主机的地址来传送数据。为此目的。IP地址了寻址方法和数据包的封装结构。
2、IPv4
2.1头部
2.2字段详解：
Version（版本号）：长度4比特。表示目前采用的IP协议的版本号，一般值为0100（IPv4）、0110（IPv6）
IHL（Header Length，IP包头长度）：长度4bit，这个地段的作用是为了描述IP包头的长度，因为在IP包头中有变长的可选部分。该部分占32bit（4字节），即本区域值=IP头部长度（bit）/（8*4），因此，一个IP白头的长度最长为“1111”，即15*4=60个字节。IP白头最小长度为20字节
TyPe of Service（服务类型）：长度8bit。按位被如下定义PPP D T R C 0：
PPP：定义包的优先级，取值越大数据越重要
000 普通（Routine）
001 优先（Priority）
010 立即发送（Immediate）
011 闪电式（Flash）
100 比闪电还快的闪电式（Flash Override）
101 CRI/TIC/ECP
110 网间控制（Internetwork Control）
111 网络控制（Network COntrol）
D 时延：0 普通 ；1 延迟尽量小
T 吞吐量：0 普通 ；1 流量尽量大
R 可靠性：0 普通 ； 1 可靠性尽量大
M 传输成本：0 普同 ； 1 成本尽量小
0 最后一位保留，恒定为0
Totlal Length（IP包总长度）：长度16bit。以字节为单位计算的IP包的长度（包含头部和数据），所以IP包的最大长度65535字节。
Identification（标识符）：长度为16bit，该字段和Flags和Fragment Offest字段联合使用，对较大的上层数据包进行分段（Fragment）操作。路由器将一个包拆分后，所有拆分的小包被标记相同的值，以便目的端设备能够区分那个包属于被拆开的包的一部分。
Flags（标记）：长度3bit，
该字段第一位不使用，作为保留。
DF（Don‘t Fragment）位，DF位置1时表明路由器不能对该上层数据包分段。如果一个上层数据包无法在不分段的情况下进行转发，则路由器会丢弃该上层数据包并返回一个错误信息。
MF（More Franment）位，当路由器对一个上层数据包分段，则路由器会在除最后一个分段的IP包的包头中将MF置为1.
Fragment Offset（片偏移）：长度13bit，表示该IP包在该组分片包中位置，接收端依照此数据进行还原IP包。
举例：片偏移以8哥字节为偏移单位，假定MTU=1500
三个包标识ID相同，三个包DF都为0，前两个MF=1，之后一个MF=0
TTL（生存时间）：长度8bit。当IP包进行传送时，先会对该字段赋予某个特定的值。当IP包经过每一个沿途的路由器的时候，每一个沿途的路由器都会将IP包的TTL值减少1，如果TTL值减少为0，则该IP包会被丢弃。这个字段可以用于防止路由环路而导致IP包在网络中不停被转发。
Windows ： TTL 128
Linux：TTL 64 #可通过/proc/sys/net/ipv4/ip_default_ttl进行修改
Protocol（协议）：长度8bit，标识了上层所使用的协议。
Header Checksum（头部校验）：长度16bit。用来做IP头部的正确性检测，但不包含数据部分，因为每个路由器要改变TTL的值，所以路由器会为每个通过的数据包重新计算这个值。
Source and Destination Addresses（源和目的地址）：长度分别为32bit。标识了这个IP包的源地址和目的地址。注意如果使用了NAT，那么在整个传输过程中，这两个地址会发生改变。
3、IPv6
3.1IPv6基本数据包头格式
3.2字段详解
版本：Internet协议的4bit版本，此处0110（IPv6）
通信类：8bit通信类字段
流标签：20bit，源可以使用IPv6标头钟的20bit“流标签”字段标记要请求IPv6路由器进行特殊处理的数据包序列。不支持“流标签”字段功能的主机或路由器需要在发起数据包时将其设置为0，在转发数据包时将其转递为不变，并在接收数据包时忽略该字段。
有效负荷长度：16bit无符号整数，这是紧随IPv6数据包头之后的其余数据部分（用8位字节表示）
下一个头：8bit选定器，标识紧跟在IPv6数据包头后面的类型，使用与IPv4协议字段相同的值
跃点限制：8bit无符号整数。按转发包的每个节点逐一递减，如果跃点限制递减到零，那么数据包会被丢弃。
源地址：128bit。包初始发送者的地址
目标地址：128bit，包预定接收者的地址。如果存在可选的路由头，则预定接收者不一定就是接收者。
3.2IPv6扩展字段
IPv6选项位于包中的IPv6数据包头和传输层头之间的单独扩展头中。在包到达其他最终目标之前，包传送路径中的任何路由器都不会检查或处理大多数IPv6扩展头。此功能显著改进了路由器对于包含选项的包的路由性能。在IPv4中，只要存在任何选项，就会要求路由器检查所有的选项。
与 IPv4 选项不同，IPv6 扩展头可以为任意长度。此外，一个包可承载的选项数量也不限于 40 字节。除了 IPv6 选项的处理方式，此功能还允许将 IPv6 选项用于那些在 IPv4 中不可行的功能。
为了在处理后续选项头以及随后的传输协议时提高性能，IPv6 选项始终设置为 8 个八位字节长度的整数倍。8 个八位字节长度的整数倍可以使后续的头保持对齐。
下面是目前已定义的IPv6扩展头：
逐跳寻径选项（Hop-by-Hop Options）：用于携带可选信息，这些信息必须由数据包传递路径上的每个节点检查。
路由（Routing）：扩展路由，IPv6源使用路由表头列出到数据包目的的途中要“访问”的一个或多个节点。此功能与IPv4的“松散源和记录路由”选项非常相似
分段（Fragment）：分段和重新装配，IPv6源使用Fragment报头巴松一个比其目的地的路径MTU更大的数据包（注：与IPv4不同，IPv6中的分段仅由源节点执行，而不由数据包经过的路由器执行）。
目标选项（Destination Options）：用于携带可选信息，这些信息仅需由数据包的目标节点进行检查。
认证（Autnentication）：用于为IP数据提供无连接完整性和数据源身份验证，并提供防止重放的保护。AH为尽可能多的IP报头以及数据提供保护。
封装安全有效负荷（Encapsulating Security Payload）：提供保密性，旨在提供IPv4和IPv6中混合的安全服务，可以在一对通信主机之间，一对通信安全网关之间或安全网关和主机提供安全服务。
注：ESP和AH提供的身份验证之间的主要区别时覆盖范围；特别是，ESP不会保护任何IP表头字段，除非这些字段由ESP封装（隧道模式）。
1.3IPv6数据包构建顺序
当在同一个数据包钟使用多个扩展头时，建议使用如下顺序：
IPv6 header
Hop-by-Hop Options header
Destination Options header (note 1)
Routing header
Fragment header
Authentication header
Encapsulating Security Payload header
Destination Options header (note 2)
upper-layer header
注：
note 1：用于由“IPv6目标地址”字段钟显示的第一个目标以及“路由”标头钟列出的后续目标选项。
note 2：数据包的最终目的地的选项
4、与IPv4的区别
包头区别：
1）IPv6报文头部是定长（固定位40字节），IPv4报文头部是变长。（这个意味着，写代码处理IPv6数据报文的效率会提供很多。
2）IPv6中的Hop Limit（跃点限制）字段含义类似IPv4的TTL。
3）IPv6中的Traffice class（通信类）字段含义类似IPv4中的TOS（Type Of Service）。
4）IPv6的报文头部取消了校验字段：取消这个字段也是对IPv4的一个改进。当IPv4报文在网络间传输，每经过一个路由器转发就要修改TTL值，就需要重新计算校验和，而由于数据链路层L2和传输层L4的校验已经足够强壮，因此IPv6取消这个字段会提高路由器的转发效率。值得一提的是，在IPv6协议下，传输层L4协议UDP、TCP是强制需要进行校验和的（IPv4是可选的）。
5）IPv6报文头部中的Next Header字段表示“承载上一层的协议类型”或“扩展头部类型”。
这里的含义与IPv4由很大却别，需要加以解释：
当IPv6数据报文承载的是上层协议ICMPv6、TCP、UDP等的时候，Next header的值分别位58、6、17，这个时候和IPv4报文头部中的Protocol字段很类似。
当不是以上3种协议的时候，IPv6报文头部紧接的是扩展头部。扩展头部是IPv6引入的一个新的概念，每个IPv6的数据报文可以承载0个或多个扩展头部，扩展头部通过链表的形式组织起来。当IPv6数据报文承载这扩展头部的时候，Next Header的数值为扩展头部的类型值。
6）在分段（Fragment）功能上，面对大型数据的处理上与IPv4不同，IPv6中的分段仅由源节点执行，而不由数据包经过的路由器执行。
