IP协议

引言

Internet协议即IP协议。所有的TCP, UDP, ICMP, IGMP数据都通过IP数据报传输。IP提供了一种尽力而为，无连接的数据包交付服务。

“尽力而为”: 不保证IP数据报成功到达目的地，任何可靠性需要上层提供。

“无连接“: IP不维护网络单元中数据报相关的任何连接状态信息，每个数据报独立于其它数据报来处理。两个连续的数据报可能乱序到达目的地。

IP数据报格式

IPv4.png

长度信息：一个常规的IPv4头部大小为20字节，除非存在选项字段(很少见)。IPv6头部长度是它的两倍，但是没有任何选项。

网络字节序: 与计算机术语：大端对齐同一个意思。低位存在低地址，高位存在高地址。如数字 0xff10, 计算机的CPU存储为小端对其，即： 10 ff H. 而将其通过网络传输时，必须转换为 ff 10 H（网络字节序）才能传输，即高位字节优先。

字段解释:

• 版本: ipv4 为4， ipv6为6
• IHL（Internet 头部长度）: 有多少个32bits. 正常情况是5， 即前面谈过的20字节。IPv6没有这个字段，其长度固定为40字节。
• ToS(服务类型字段)：被分为DS(区分服务字段)和ECN（显示拥塞通知字段）。
• 总长度：是整个IP数据报的总长度，通过这个字段和IHL字段，我们知道数据部分从哪里开始。该字段长度为16bits，所以IP报文最大可为65535字节。但是链路层协议往往不能携带这么大的数据，所以要对其进行分片。
• 标识字段: 为了避免不同数据报分片之间的混淆，主机维护计数器，将值赋予该字段。该字段对分片的实现非常重要。
• TTL（生存周期）:数据报可以经过的路由器的总数量。通常为64，也有128，255等。当这个字段达到0，该数据报被丢弃，并产生一个ICMP消息通知发送者.
• 协议字段： 表示数据报有效载荷部分的数据类型。UDP（17），TCP（6）。
• 头部校验和: 只计算IPv4头部的校验和，不保证有效载荷的正确性。

DS字段和ECN

• DS字段的数字被称为DSCP（区分服务代码点），用于支持IP协议上不同类型的服务：即不只是尽力而为的服务。
• 2位的ECN是数据报的拥塞标识符，一个具有ECN感知能力的路由器在持续拥塞的状态下会设置这两位，TCP协议会发现这种情况并且将其通知发送方，发送方随后会降低发送速度。

IP选项

IP支持一些可供选择的选项，其中大部分是不再实用或可取，在IPv6中，大部分选项被删除或者改变，而且不再是IPv6头部的一部分。这些选项有：列表结尾，没有操作，源路由，安全和处理标签，记录路由，时间戳，流ID，EIP，跟踪，路由器警告，快速启动。

IPv6扩展头部

IPv6.png

IPv6头部固定为40字节，IPv6通过扩展头部来实现IPv4选项的部分功能。扩展头部和更高层的协议（TCP/IP）与IPv6头部构成一个级联头部，它们之间通过下一个头部字段连接起来。

各个选项的详细说明这里不细说，请查阅相关资料。

IP转发

当主机收到一个数据报时，首先检查目的地址：

• 如果是自己（自己某一个接口所配置的IP地址或IP广播或者组播地址），则交给协议字段或者IPv6头部的下一个头部字段指定的协议模块处理。
• 如果不是：
  • 如果IP层被配置为路由器，则转发该数据报。
  • 否则默默丢弃，必要时生成ICMP报文给发送者。

转发不会改变数据报的IP地址，只是通过设置链路层地址来完成交付的过程：

• 发送者定义好源IP和目的IP，如果目的IP不在本地，则将链路层的目的MAC地址设置为路由器，由路由器代为转发。
• 每一跳路由器在转发时，都会将源MAC地址设置为自己，目的MAC地址设置为下一跳路由器。

转发表

当需要转发一个数据报时，必须与转发表匹配，从而知道下一跳和输出端口。转发表的组成如下:

• 目的地址： 用于与一个掩码操作的结果向匹配。如果该字段为全0，表示默认路由。
• 掩码：将报文先进行掩码，再与目的地址比较。
• 下一跳：下一个IP实体（路由器或者主机）的IP地址。数据报将被转发到该地址。
• 接口：从哪一个网络接口发出去。

可以看到，路由器不包含到任何目的地的完整转发路径。IP转发只提供数据报文发送的下一跳的地址。它有以下假设：

• 假设下一跳更接近目的地
• 假设下一跳路由器与自己直接连接
• 假设实体之间没有环路

完成这些假设需要路由协议，多种路由协议能够做好这项工作：RIP,OSPF,BGP,IS-IS。

IP 分片和重组

链路层对可传输的每一个帧的大小有着限制，比如以太网限制为1500字节。而一个IP数据报的大小可能又65535字节。要保持IP数据报抽象与链路层细节的一致和分离，IP引入了分片和重组。

在网络层发送数据报时，会检测所发送接口的MTU（最大传输），如果超出则进行分片。分片既可以在端上进行，也可以在路径上的任意一点进行。

分片

将一个IP数据报，分割成多个满足MTU限制的IP子数据报。每个数据报都有完整的：ETH + IP + 网络层负载的结构，只不过原来大数据报的负载被均分在分片的负载当中。

虽然每一个IP分片也都有IP头部，但是每个头部都是有标识的，例如将某一个数据报分为下面3个部分：

• 分片1 ： ETH + IP + 负-------------载

• 分片2 ： ETH + IP + 负-------------载

• 分片3 ： ETH + IP + 负----载

IPv4头部的标识，分片偏移，更多分片(MF) 标识着不同的分片，也为重组作基础。

各个字段的作用如下：

• 标识：同一数据报的所有分片均相同，用于区分不同数据报的分片，由发送方设置。
• 分片偏移：用于重组时回复顺序。
• MF：有后续分片标识为1，没有后续分片标识为0。

IPv4中的总长度要修正为分片的总长度。

重组

重组依据标识，分片偏移，MF来重组数据报即可，但是也要注意下面两个事情：

• 任何一个分片的丢失，都将导致整个数据报重发。所以TCP尽量不让IP分片发生。
• 重组超时: 任何数据报的任何一个分片首先到达目的地，IP层就启动一个计时器。超时一般是30秒后或者60秒。如果重组超时，目标机器回复一个ICMP消息告诉发送方重组超时，请求重发。