TCP/IP illustrated 阅读笔记（三） IP协议

1. 什么是IP协议：

Internet Protocol，工作在网络层，是TCP/IP协议族中的workhorse协议（意思就是IP是个搬砖的），是一个提供最best-effort（尽最大努力）的无连接的协议（无连接指不会维护连接状态，比如建立连接之类的）。IP协议不只IPv4 和IPv6，只是IPv4使用最为广泛，而IPv6是IPv4的继承者

2. IPv4首部说明

首部后面跟着的数据段，存放的是payload（用户数据，这里的用户指的是上层协议）

Version:

IP协议版本，ipv4的 version为4

IHL：

Internet Header Length： 首部长度，注意是首部的长度，标识有多少32bits。之所以长度是变化的是因为最后面的options段，一般没有options段，此时IHL为5，总共20bytes。

DSField and ECN:

这两个是由早期的ToS（Type of Service）段分割出来的的。DSField（DifferentiatedServices Field）,功能和早期的Tos类似，用于标识服务类型（一般会涉及到优先级的问题），DSFiled又分为class 和Drop Probability两个段，前者继承自Tos，标识服务类别，后者顾名思义，用于再路由器需要丢包时，决定先丢哪个。具体的机制没有自己地去研究了。ECN（explicit Congestion Notificatio）,用于网络堵塞时，路由器会在堵塞方向的包中给ECN置位，通过数据包接受者路上出现堵塞了（ECN被置位表示路上至少经过一个路由器时发生了阻塞），然后接收者就会把这个消息告诉发送者，让他慢点发，或者不发了（这是上层协议的事情了）

TotalLength:

 指IP packet的总长度（包括首部和数据域）

Identification:

这里是用于IP分段时表示用来标识不同IP包产生的分段，每个IP包的分段的Identification的值是一样的。

Flags

总共3bit
bit 0: Reserved; must be zero.
bit 1: Don't Fragment (DF) ，即告诉路上的路由器不要对我进行分片，那么路由器该怎么办呢，不分片就不能传输了，所以就丢掉，路由器表示怪我喽
bit 2: More Fragments (MF)，为1表示我后面还有分段，为0表示爹是最后一个分段了，

Fragment Offset

用来标识当前IP分段的第一个用户数据的字节相对于原始数据第一个字节的偏移量，单位大小为8bytes，比如该值为n时，标识偏移量为n*8 bytes，该值为0时，说明这是第一个分段，偏移量为0嘛

TTL：

Timeto Live，用来设置一个包在网络中最多走多少跳的，每经过一个路由器，TTL的值就会减一，如果为0，路由器就会丢包，并且给发送者一个ICMP消息，告诉他你的包被大爷丢掉了。但是名字为什么是Time to Live。怎么不是hops to live呢，因为早期判断丢包是用在网络中待的时间来判断的，后来改成用跳数判断了,名字还是用的老名字

Protocol:

IP协议号，和Ethtype类似，Etytype用于标识以太帧里面封装的协议类型，这里的IP协议号用于标识封装在IP包内的协议。UDP为17，TCP为6，但是IP内也是可以封装IP的（这个涉及到隧道的概念了），IP自己的IP协议号为4.

HeaderCheckSum:

头部校验和，使用InternetChecsum算法，计算出来的校验和。注意IP的校验和只只计算IP头部，不会计算数据域的。具体算法参考https://en.wikipedia.org/wiki/IPv4_header_checksum，算法逻辑挺简单的，感兴趣的可以看一看。

Source/DestinationIP Address:

每个都是32bit，源IP地址，目的IP地址

Options：

一般情况下IP的头部是不会包含这个的，就算包含了，现在的路由器一般也都会忽略掉或者自动剥掉options。这个是在早期网络的特有条件下设计出来的（比如当时网络拓扑比较小）

3.IP Forwarding

router与host的区别：首先他们都有转发功能，但那是host只转发目的ip为自己的包（没有路由的功能），而路由器有路由功能。但是这两个概念不是互斥，现在的host也可以路由（个人热点、共享网络）。

3.1 direct delivery与 indirect delivery

direct delivery：

源主机和目的主机在同一个二层网络（比如以太网）（一个网线连着或者通过一个或多个二层交换机相连），不需要经过路由器的转发（网络层），就可以直接交付给目的主机。这一层实际上并不需要进行ip地址的路由，ipv4中通过arp协议可获得目的主机的mac地址，源主机的数据链路层会直接将ip包封装在以太帧中并发给目的主机的数据链路层（数据链路层的网络是mac）。所以叫做direct delivery （应该叫直接发送或者直接交付吧）

indirect delivery：

源主机和目的主机不再同一个二层网络中，这个时候就需要路由器了，路由器就是用来连接两个或多个二层网络的设备（同类二层网络或者不同类二层网络均可），indirect表示需要通过路由器进行转发，路由器转发时从一个端口获得以太帧，根据转发规则确定下一条的ip地址，然后再对ip包进行封装（源mac变为路由器的发送端mac地址，目的mac改为下一跳的mac地址），这个过程中如果没有NAT之类的协议或者非法篡改的话，源ip和目的ip是不会发生变化的。如果路上有多跳，每个路由器都会不断重复剥离以太帧头部，判断转发动作、然后丢掉或者重新对ip包进行封装，直到到达最后一跳路由器，然后这个路由器和目的主机之间又以类似于direct delivery的方式将ip包发送给目的主机

3.2 转发表(Forwarding table)

转发表一般至少由4个域组成（一个转发表有多个entry，每个entry有4个域）

Destination：

目的ip地址，包中的目的ip与mask与操作后和这个Destination进行比较，判断包的目的ip是否在这个Destination中

Mask：

掩码，与包的目的ip进行与操作后获得Destination（类似于子网掩码，或者prefix，产生的Destination其实是一个子网号或者子网段（prefix））、

Next-hop：

下一跳的ip地址，如果是最后一条，这里的next hop都是当前host或者router发送端口的ip（最后一跳实际上实在二层转发的），如果不是最后一跳则是下一条的ip地址，下一条的ip地址有时候就是网关（一般当当前跳为局域网内的主机时，下一条的ip地址是网关）

Interface：

标识从当前路由器或者主机的哪个端口发出去，因为可能是多interface的（一般为多网卡），这个域存储的是发送的interface在当前网络上的ip地址。

4. Host Modles

这种问题只会出现在多网卡的host上

strong host model：

这种模式下，interface（一般就是一个网卡）只会发送和接收源地址或目的地址为本interface的packet，这种模式安全系数较高，但是不灵活，windows一般默认为这种模式

weak host model

这种模式下，多个网卡，只要源地址或者目的地址可以match上任意一个本地的ip地址（多网卡多ip地址），就会正常发送接受。这种模式安全系数低，但是比较灵活，linux一般默认为weak模式

5. Address Selection

多interface的host（router），在发送数据时，选择哪个interface的ip地址，接收端如果是多地址，那么该选择哪个ip地址作为目的ip。这个涉及到地址选择算法，没有仔细看了