IP协议简介

 

IP协议

IP协议位于网络层，它提供了不可靠的、无连接的数据报传输机制。TCP/IP是为了适应物理网络的多样性而设计的，而这种适应性主要是通过IP层来体现的。由于物理网络的多样性，各种物理网络的数据帧格式、地址格式之间的差异很大。为了将这些底层的细节屏蔽起来，使得采用不同物理网络的网络之间进行通讯， TCP/IP分别采用了IP数据报和IP地址作为物理数据帧与物理地址的统一描述形式。这样IP向上层提供统一的IP数据报和统一的IP地址，使得各种物理帧及物理地址的差异性对上层协议不复存在。

1、 IP数据报头
    一个IP数据报由一个头部和数据部分构成。头部包括一个20字节的固定长度部分和一个可选任意长度部分。头部格式如图1所示。
               

版本：4位长。记录了数据报对应的协议版本号。当前的IP协议有两个版本：IPV4 和IPV6。

HL：4位长。代表头部的总长度，以32位字节为一个单位。

服务类型：8位长。使主机可以告诉子网它想要什么样的服务。服务类型域又分为了5个部分。优先权字段是标志优先级的；三个标志位分别代表延迟、吞吐量、可靠性。 

总长：16位。指头部和数据的总长。最大长度是65535个字节。

标识：16位。通过它使目的主机判断新来的分段属于哪个分组，所有属于同一分组的分段包含同样的标识值。

DF：代表不要分段。它命令路由器不要将数据报分段，可能因为目的端不能重组分段。

MF：代表还有进一步的分段，用它来标志是否所有的分组都已到达。除了最后一个分段的所有分段都设置了这一位。

分段偏移：13位。标明分段在当前数据报的什么位置。

生命期：8位。用来限制分组生命周期的计数器。它在每个节点中都递减，而且当在一个路由器中排队时可以倍数递减。

协议：8位。说明将分组发送给那个传输进程，如TCR、VDP等。

头校验和：16位。仅用来校验头部。

源地址： 32位。产生IP数据报的源主机IP地址。

目的地址：32位。IP数据报的目的主机的IP地址。

可选项：是变长的。每个可选项用一个字节标明内容。有些可选项还跟有一字节的可选项长度字段，其后是一个或多个数据字节。现在已定义了安全性、严格的源路由选择、松的源路由选择、记录路由和时间标记五个可选项。但不是所有的路由器都支持全部5个可选项。

安全性选项说明了信息的安全程度。

严格的源路由选择选项以一系列的IP地址方式，给出了从源到目的地的完整路径。数据报必须严格地从这条路径传送。当路由选择表崩溃，系统管理员发送紧急分组时，或作时间测量时，此字段很有用。

松的源路由选择选项要求分组遍及所列的路由器，但它可以在其间穿过其它的路由器。

记录路由选项让沿途的路由器都将其IP地址加到可选字段之后，这使系统管理者可以跟踪路由选择算法的错误。

时间标记选项像记录路由选项一样，除了记录32位的IP地址外，每个路由器还要记录一个32位的时间标记。同样地，这一选择可用来为路由选择算法查错。

2、 IP数据报的分段与重组

IP数据报是通过封装为物理帧来传输的。由于因特网是通过各种不同物理网络技术互连起来的，在因特网的不同部分，物理帧的大小（最大传输单元MTU）可能各不相同。为了最大程度的利用物理网络的能力，IP模块以所在的物理网络的MTU作为依据，来确定IP数据报的大小。当IP数据报在两个不同MTU的网络之间传输时，就可能出现IP数据报的分段与重组操作。

在IP头中控制分段和重组的IP头域有三个：标识域、标志域、分段偏移域。标识是源主机赋予IP数据报的标识符。目的主机根据标识域来判断收到的IP数据报分段属于哪一个数据报，以进行IP数据报重组。标志域中的DF位标识该IP数据报是否允许分段。当需要对IP数据报进行分段时，如果DF位置1，网关将会抛弃该IP数据报，并向源主机发送出错信息。标志域中的MF位标识该IP数据报分段是否是最后一个分段。分段偏移域记录了该IP数据报分段在原IP数据报中的偏移量。偏移量是8字节的整数倍。分段偏移域被用来确定该IP数据报分段在IP数据报重组时的顺序。

IP数据报在被传输过程中，一旦被分段，各段就作为独立的IP数据报进行传输，在到达目的主机之前有可能会被再次或多次分段。但是IP数据报分段的重组都只在目的主机进行。

3、 IP对输入数据报的处理
IP对输入数据报的处理分为两种，一种是主机对数据报的处理，一种是网关对数据报的处理。

当IP数据报到达主机时，如果IP数据报的目的地址与主机地址匹配，IP接收该数据报并将它传给高级协议软件处理；否则抛弃该IP数据报。

网关则不同，当IP数据报到达网关IP层后，网关首先判断本机是否是数据报到达的目的主机。如果是，网关将接收到的IP数据报上传给高级协议软件处理。如果不是，网关将对接收到的IP数据报进行寻径，并随后将其转发出去。

4、 IP对输出数据报的处理
IP对输出数据报的处理也分为两种，一种是主机对数据报的处理，一种是网关对数据报的处理。

对于网关来说，IP接收到IP数据报后，经过寻径，找到该IP数据报的传输路径。该路径实际上是全路径中的下一个网关的IP地址。然后，该网关将该IP数据报和到的下一个网关的地址交给网络接口软件。网络接口软件收到IP数据报和下一个网关地址后，首先调用ARP完成下一个网关IP地址到物理地址的映射，然后将IP数据报封装成帧，最后由子网完成数据报的物理传输。