IP网际协议

一、IP协议简介

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。

IP协议提供不可靠、无连接的数据报传送服务。

不可靠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。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， 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。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP）。

无连接这个术语的意思是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。IP数据报可以不按发送顺序接收。

二、IP首部各个字段介绍

普通IP首部长度为20个字节，除非包含选项字段。一个IP数据报的头部如下：

在首部中最高位记为0bit，最低位记为31bit。

4个字节32bit的值以下面的次序进行传输：首先是0~7bit，其次是8~15bit，然后是16~23bit，最后是24~31bit。这种传输次序称作big endian字节序。

分析一下IP数据报中首部的各个字段

4位版本号：代表着IP数据包的协议版本号，可以为4或者6，分别代表IPv4和IPv6。

4位首部长度：首部长度指的是IP首部占 32 bit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。 

8位服务类型（TOS）：服务类型（TOS）字段包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略），4 bit的TOS子字段和1 bit未用位但必须置0。4 bit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。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均为0，那么就意味着是一般服务。

不同应用建议的TOS值。

16位总长度（字节数）：总长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段。可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长为16bit，所以IP数据报的最长可达65535字节。但是大多数的链路层会对IP数据报进行分片，主机要求不能结束超过576字节的数据报。

标识：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。

3位标志字段：一位保留位RB；一位表示MF，更多的分片，如果此位置为1，则表示后面还有分片；一位DF，表示不分片位。如果将这一比特置 1，IP将不对数据报进行分片。

13位片偏移字段：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。也就是说，相对用户数据字段的起点，该片从何处开始。片偏移以8个字节为偏移单位。这就是说，每个分片的长度一定是8字节（64位）的整数倍。

8位TTL生存时间：TTL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。T T L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。

8位协议：协议字段是IP协议根据此字段对数据报进行分用。

16位首部校验和字段：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。

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 16 bit进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串 16 bit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 16 bit进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果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为全1。如果结果不是全1（即检验和错误），那么IP就丢弃收到的数据报。

32位源IP地址和32位目的IP地址：表示IP数据报的发送端源地址和接收端源地址。

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。这些任选项的定义如下：

• 安全和处理限制（用于军事领域）

• 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）

• 宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的 IP地址）

• 严格的源站选路（与宽松的源站选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址）。

说起来比较抽象，找wireshark抓个包看一下：

这是一个IPV4的报文，里面是IPV4的具体内容，包含上面介绍的所有部分。TOS就是其中的DSCP，是区分服务字段和拥塞表示符字段的组合。

三、IP路由基础背景

交换机工作在数据链路层，用于网络中的数据转发，而Internet环境复杂，存在不同的网络，此时就需要使用路由器来连接不同的网络，实现网络之间的数据转发。路由技术是Internet得以持续运转的关键所在。

路由是用于网络中不同网段之间相互通信，路由信息就是指导报文发送的路径信息，路由的过程就是报文的转发过程。

3.1 IP路由基本原理

3.1.1 IP路由选择

IP路由选择是简单的，特别对于主机来说。如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或都在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么IP数据报就直接送到目的主机上。否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。

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，路由器收到数据包后，会根据数据包中的目的IP地址选择一条最优的路径，并将数据包转发到下一个路由器，路径上最后的路由器负责将数据包送交目的主机，每一个路由器负责将数据包按照最优的路径向下一跳路由器进行转发，通过多个路由器的接力，最终将数据包通过最优路径转发到目的地。有时由于实施了一些特别的路由策略，数据包通过的路径可能并不一定是最佳的。路由器能够决定数据报文的转发路径。如果有多条路径可以到达目的地，则路由器会通过进行计算来决定最佳下一跳。 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；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。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 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。

出接口。为数据报的传输指定一个网络接口。

可以在ensp中使用display ip routing-table显示一下路由表。

路由表中包含以下关键项

表项
目标地址/掩码 Destination/mask	目标地址：用来标识IP报文的目的地址或者目的网络 掩码：用于标识IP报文的掩码位数
协议Proto	通过哪种协议学习的路由
优先级Pre	优先级
度量cost	度量值
标记位Flags	标记位
下一跳NextHop	下一跳IP地址
接口Interface	输出接口：指明IP报文从该路由器的哪个出接口出去

IP路由选择是逐跳地进行的。 

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”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。 

3.1.2 最长掩码匹配原则

路由表中如果有多个匹配目的网络的路由条目，则路由器会选择掩码最长的条目。

 路由器在转发数据时，需要选择路由表中的最优路由。当数据报文到达路由器时，路由器首先提取出报文的目的IP地址，然后查找路由表，将报文的目的IP地址与路由表中某表项的掩码字段做“与”操作，“与”操作后的结果跟路由表该表项的目的IP地址比较，相同则匹配上，否则就没有匹配上。 当与所有的路由表项都进行匹配后，路由器会选择一个掩码最长的匹配项。

如图所示，路由表中有两个表项到达目的网段10.1.1.0，下一跳地址都是20.1.1.2。如果要将报文转发至网段10.1.1.1，则10.1.1.0/30符合最长匹配原则。

3.1.3 路由优先级

通过多种不同协议学习到去往同一目的网络的路由，当这些路由都符合最长匹配原则时，必须决定哪个路由优先。

每个路由协议都有一个协议优先级（取值越小、优先级越高）。当有多个路由信息时，选择最高优先级的路由作为最佳路由。
如图所示，路由器通过两种路由协议学习到了网段10.1.1.0的路由。虽然RIP协议提供了一条看起来更加直连的路线，但是由于OSPF具有更高的优先级，因而成为优选路由，并被加入路由表中。

3.1.4 路由度量

如果路由器无法用优先级来判断最优路由，则使用度量值（metric）来决定需要加入路由表的路由。
一些常用的度量值有：跳数，带宽，时延，代价，负载，可靠性等。
跳数是指到达目的地所通过的路由器数目。
带宽是指链路的容量，高速链路开销（度量值）较小。
metric值越小，路由越优先；因此，图示中metric=1+1=2的路由是到达目的地的最优路由，其表项可以在路由表中找到。

3.1.5 路由转发数据包

路由器需要知道下一跳和出接口才能将数据转发出去。

 

路由器收到一个数据包后，会检查其目的IP地址，然后查找路由表。查找到匹配的路由表项之后，路由器会根据该表项所指示的出接口信息和下一跳信息将数据包转发出去。

四、静态路由基础

静态路由是指由管理员手动配置和维护的路由。静态路由配置简单，被广泛应用于网络中。另外，静态路由还可以实现负载均衡和路由备份

静态路由是指由管理员手动配置和维护的路由。

静态路由是指由管理员手动配置和维护的路由。静态路由优点为配置简单，并且无需像动态路由那样占用路由器的CPU资源来计算和分析路由更新。静态路由的缺点在于，当网络拓扑发生变化时，静态路由不会自动适应拓扑改变，而是需要管理员手动进行调整。

静态路由一般适用于结构简单的网络。在复杂网络环境中，一般会使用动态路由协议来生成动态路由。不过，即使是在复杂网络环境中，合理地配置一些静态路由也可以改进网络的性能。

4.1 静态路由配置

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1 2 3

[Huawei]ip route-static 192.168.1.0 255.255.255.0 10.0.12.1 [Huawei]ip route-static 192.168.1.0 255.255.255.0 Serial 1/0/0 [Huawei]ip route-static 192.168.1.0 24 Serial 1/0/0

ip route-static ip-address { mask | mask-length } interface-type interface-number [ nexthop-address ]命令用来配置静态路由。参数ip-address指定了一个网络或者主机的目的地址，参数mask指定了一个子网掩码或者前缀长度。如果使用了广播接口如以太网接口作为出接口，则必须要指定下一跳地址；如果使用了串口作为出接口，则可以通过参数interface-type和interface-number（如Serial 1/0/0）来配置出接口，此时不必指定下一跳地址。

4.2 静态路由在串行网络或以太网

4.2.1 串行网络

在串行接口上，可以通过指定下一跳地址或出接口来配置静态路由。

在串行网络中配置静态路由时，可以只指定下一跳地址或者只制定出接口。因为华为AG3系列路由器中，串行接口默认封装PPP协议，对于这种类型的接口，静态路由的下一跳地址就是跟接口相连的对端接口的地址，所以在串行网络中配置静态路由时可以只配置出接口。

4.2.2 以太网

 

 

以太网是广播类型的网络，和串行网络不同。在以太网中配置静态路由，必须指定下一跳地址。

 

在广播型的接口上配置静态路由时，必须明确指定下一跳地址。以太网中同一网络可能连接了多台路由器，如果在配置静态路由时只指定了出接口，则路由器无法将报文转发到正确的下一跳。在本示例中，RTA需要将数据转发到192.168.2.0/24网络，在配置静态路由时，需要明确指定下一跳地址为10.0.123.2，否则，RTA将无法将报文转发到RTB所连接的192.168.2.0/24网络，因为RTA不知道应该通过RTB还是RTC才能到达目的地。

4.3 负载分担

静态路由支持到同一目的地的等价负载分担

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1 2	[Huawei]ip route-static 192.168.1.0 255.255.255.0 10.0.12.1 [Huawei]ip route-static 192.168.1.0 255.255.255.0 20.0.12.1

当源网络和目的网络之间存在多条链路时，可以通过等价路由来实现流量负载分担。这些等价路由具有相同的目的网络和掩码、优先级和度量值。本示例中RTA和RTB之间有两条链路相连，通过使用等价的静态路由来实现流量负载分担。在RTB上配置了两条静态路由，它们具有相同的目的IP地址和子网掩码、优先级（都为60）、路由开销（都为0），但下一跳不同。在RTB需要转发数据给RTA时，就会使用这两条等价静态路由将数据进行负载分担。在RTA上也应该配置对应的两条等价的静态路由。

5 路由备份

浮动静态路由在网络中主路由失效的情况下，会加入到路由表并承担数据转发业务。

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1 2	[Huawei]ip route-static 192.168.1.0 255.255.255.0 10.0.12.1 [Huawei]ip route-static 192.168.1.0 255.255.255.0 20.0.12.1 preference 100

配置多条静态路由时，可以修改静态路由的优先级，使一条静态路由的优先级高于其他静态路由，从而实现静态路由的备份，也叫浮动静态路由。在本示例中，RTB上配置了两条静态路由。正常情况下，这两条静态路由是等价的。通过配置preference 100，使第二条静态路由的优先级要低于第一条（值越大优先级越低）。路由器只把优先级最高的静态路由加入到路由表中。当加入到路由表中静态路由出现故障时，优先级低的静态路由才会加入到路由表并承担数据转发业务。

6 缺省路由

缺省路由是目的地址和掩码都为全0的特殊路由

如果报文的目的地址无法匹配路由表中的任何一项，路由器将选择依照缺省路由来转发报文。

 

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1 2	[huawei]ip route-static 0.0.0.0 0.0.0.0 10.0.12.2 [huawei]ip route-static 0.0.0.0 0 10.0.12.2 GigabitEthernet 0/0/0

当路由表中没有与报文的目的地址匹配的表项时，设备可以选择缺省路由作为报文的转发路径。在路由表中，缺省路由的目的网络地址为0.0.0.0，掩码也为0.0.0.0。在本示例中，RTA使用缺省路由转发到达未知目的地址的报文。缺省静态路由的默认优先级也是60。在路由选择过程中，缺省路由会被最后匹配。

当路由表中没有与报文的目的地址匹配的表项时，设备可以选择缺省路由作为报文的转发路径。在路由表中，缺省路由的目的网络地址为0.0.0.0，掩码也为0.0.0.0。在本示例中，RTA使用缺省路由转发到达未知目的地址的报文。缺省静态路由的默认优先级也是60。在路由选择过程中，缺省路由会被最后匹配。

参考：https://blog.csdn.net/Yang_sean/article/details/118541975