IP协议介绍

定义

IP 协议（Internet Protocol）又称互联网协议，是支持网间互联的数据包协议。该协议工作在网络层，主要目的就是为了提高网络的可扩展性，和传输层 TCP 相比，IP 协议提供一种无连接/不可靠、尽力而为的数据包传输服务，其与TCP协议（传输控制协议）一起构成了TCP/IP 协议族的核心。

特点

• 无连接，不可靠
• 与TCP协议（传输控制协议）一起 构成了TCP/IP协议簇的核心

作用

寻址和路由：

• 在IP 数据包中会携带源 IP 地址和目的 IP 地址来标识该数据包的源主机和目的主机。IP 数据报在传输过程中，每个中间节点（IP 网关、路由器）只根据网络地址进行转发，如果中间节点是路由器，则路由器会根据路由表选择合适的路径。IP 协议根据路由选择协议提供的路由信息对 IP 数据报进行转发，直至抵达目的主机。

分片与重组：

• IP 数据包在传输过程中可能会经过不同的网络，在不同的网络中数据包的最大长度限制是不同的，IP 协议通过给每个 IP 数据包分配一个标识符以及分段与组装的相关信息，使得数据包在不同的网络中能够传输，被分段后的 IP 数据报可以独立地在网络中进行转发，在到达目的主机后由目的主机完成重组工作，恢复出原来的 IP 数据包。

①TCP分段与IP分片的区别？

TCP分段

• 数据传输到传输层时受MSS限制，对数据进行分段，每一段分别添加TCP首部。
• **注意: **TCP分段仅发生在发送端，这是因为在传输过程中，TCP分段是先被封装成IP数据报，再封装在以太网帧中被链路所传输的，并且在端到端路径上通常不会有工作在三层以上，即传输层的设备，故TCP分段不会发生在传输路径中间的某个设备中，在发送端TCP传输层分段后，在接收端TCP传输层重组。

IP分片

• 网络层下发到数据链路层的数据不能超过MTU。如果超过了就需要在网络层分片，切成小于MTU的IP数据包。

注意：

• 分段特指发生在使用TCP协议的传输层中的数据切分行为
• 分片特指发生在使用IPv4协议的网络IP层中的数据切分行为

什么是MSS？

• **TCP最大报文长度，**为TCP传输层的最大载荷上限(即应用层数据最大长度)，不包含 TCP Header 和 TCP Option，只包含 TCP Payload ，MSS 是 TCP 用来限制应用层最大的发送字节数。
• TCP会进行三次握手，而MSS会在三次握手的过程中传递给对方，MSS只出现在来syn报文段中，用于通知对端本地最大可以接收的TCP报文数据大小（不包含TCP和IP报文首部）。
• 一般来说，MSS的值在不分段的情况会越大越好，比如一个外出接口的MSS值是MTU减去IP和TCP首部长度。

滑动窗口与MSS的区别？

• 窗自口大小是个动态的值，因为TCP是用的滑zd动窗口协议，传输数据的速率都是根据窗口大小来调整的。可以把窗口理解为一个缓存，而且窗口大小跟MSS是没有任何关系的。
• 窗口是为了控制传输过程中的速度。而MSS只是控制TCP报文段大小。

什么是MTU？

• 最大传输单元(Maximum Transmission Unit)，即MTU，为数据链路层的最大载荷上限(即IP数据报最大长度)，每段链路的MTU可能都不相同，一条端到端路径的MTU由这条路径上MTU最小的那段链路的MTU决定。
• 所谓的MTU，是二层协议的一个限制，对不同的二层协议可能有不同的值，只有二层协议为以太网(Ethernet)时，MTU一般才取1500字节，注意它不是物理链路介质的限制，只有工作在二层的设备才需要指定MTU的值，如网卡、转发设备端口(统称为网络接口)等，通过同一段线缆直连的通信端口或网卡，其MTU值一定相同。

MSS与MTU的关系

MTU的换算关系为：
MTU = MSS + TCP首部长度 + IP首部长度
故在以太网中(网络层以IPv4为例)：
MSS = 以太网MTU - TCP首部长度 - IPv4首部长度 = 1500 - 20 - 20 = 1460字节

疑问

UDP是否会进行分段？

• 不会，UDP是简单至极的传输协议，就是在IP协议基础上增加了些无关痛痒的特性以实现端到端的数据传输服务，因此UDP提供的是类似IP的“尽力而为”的传输服务，是不可靠的。而由于UDP协议并不会自行分段，故MSS的限制对其没有作用，因此最终的IP数据报的长度超过了MTU时，网络层会负责执行IP分片。同样，(没有分段功能的)ICMP数据在网络层中同样会出现IP分片的情况。

TCP分段后会进行IP分片吗?

• 发送端进行TCP分段后就一定不会在IP层进行分片，因为MSS本身就是基于MTU推导而来，TCP层分段满足了MSS限制，也就满足了MTU的物理限制。但在TCP分段发生后仍然可能发生IP分片，这是因为TCP分段仅满足了通信两端的MTU要求，传输路径上如经过MTU值比该MTU值更小的链路，那么在转发分片到该条链路的设备中仍会以更小的MTU值作为依据再次分片。当然如果两个通信主机直连，那么TCP连接协商得到的MTU值(两者网卡MTU较小值)就是端到端的路径MTU值，故发送端只要做了TCP分段，则在整个通信过程中一定不会发生IP分片。

总结:

• TCP分段的原因是因为TCP报文段大小受MSS限制
• IP分片的原因则是因为IP数据报大小受MTU限制
• UDP不会分段，由IP来分片
• 发送端进行TCP分段后就一定不会在IP层进行分片,但是在TCP分段发生后到达其传输路径仍然可能发生IP分片

②IP协议报头

IP 报头的最小长度为 20 字节，上图中每个字段的含义如下：

第一行

1. 版本（version）
   占 4 位，表示 IP 协议的版本。通信双方使用的 IP 协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为 4，即 IPv4。
2. 首部长度（网际报头长度IHL）
   占 4 位，可表示的最大十进制数值是 15。这个字段所表示数的单位是 32 位字长（1 个 32 位字长是 4 字节）。因此，当 IP 的首部长度为 1111 时（即十进制的 15），首部长度就达到 60 字节。当 IP 分组的首部长度不是 4 字节的整数倍时，必须利用最后的填充字段加以填充。

数据部分永远在 4 字节的整数倍开始，这样在实现 IP 协议时较为方便。首部长度限制为 60 字节的缺点是，长度有时可能不够用，之所以限制长度为 60 字节，是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是 20 字节（即首部长度为 0101），这时不使用任何选项。

3. 区分服务（tos）
   也被称为服务类型，占 8 位，用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998 年 IETF 把这个字段改名为区分服务（Differentiated Services，DS）。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。
4. 总长度（totlen）
   首部和数据之和，单位为字节。总长度字段为 16 位，因此数据报的最大长度为 2^16-1=65535 字节。

第二行

1. 标识（identification）
   用来标识数据报，占 16 位。IP 协议在存储器中维持一个计数器。每产生一个数据报，计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。当数据报的长度超过网络的 MTU，而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。具有相同的标识字段值的分片报文会被重组成原来的数据报。
2. 标志（flag）
   占 3 位。第一位未使用，其值为 0。第二位称为 DF（不分片），表示是否允许分片。取值为 0 时，表示允许分片；取值为 1 时，表示不允许分片。第三位称为 MF（更多分片），表示是否还有分片正在传输，设置为 0 时，表示没有更多分片需要发送，或数据报没有分片。
3. 片偏移（offsetfrag）
   占 13 位。当报文被分片后，该字段标记该分片在原报文中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。所以，除了最后一个分片，其他分片的偏移值都是 8 字节（64 位）的整数倍。

第三行

1. 生存时间（TTL）
   表示数据报在网络中的寿命，占 8 位。该字段由发出数据报的源主机设置。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在网络中传输，从而消耗网络资源。

路由器在转发数据报之前，先把 TTL 值减 1。若 TTL 值减少到 0，则丢弃这个数据报，不再转发。因此，TTL 指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器。TTL 的最大数值为 255。若把 TTL 的初始值设为 1，则表示这个数据报只能在本局域网中传送。

2. 协议
   表示该数据报文所携带的数据所使用的协议类型，占 8 位。该字段可以方便目的主机的 IP 层知道按照什么协议来处理数据部分。不同的协议有专门不同的协议号。

例如，TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1。

3. 首部检验和（checksum）
   用于校验数据报的首部，占 16 位。数据报每经过一个路由器，首部的字段都可能发生变化（如TTL），所以需要重新校验。而数据部分不发生变化，所以不用重新生成校验值。

第四行

1. 源地址
   表示数据报的源 IP 地址，占 32 位。

第五行

1. 目的地址
   表示数据报的目的 IP 地址，占 32 位。该字段用于校验发送是否正确。

第六行

1. 可选字段
   该字段用于一些可选的报头设置，主要用于测试、调试和安全的目的。这些选项包括严格源路由（数据报必须经过指定的路由）、网际时间戳（经过每个路由器时的时间戳记录）和安全限制。
2. 填充
   由于可选字段中的长度不是固定的，使用若干个 0 填充该字段，可以保证整个报头的长度是 32 位的整数倍。

第七行及以后

1. 数据部分
   表示传输层的数据，如保存 TCP、UDP、ICMP 或 IGMP 的数据。数据部分的长度不固定。