网际协议IP

网际协议IP

一、IP地址

1、分类的IP地址

IP地址::={<网络号>,<主机号>}

2、无分类编址CIDR

IP地址::={<网络前缀>,<主机号>}

（1）网络前缀

​ 与分类IP最大的区别就是网络前缀的位数n是不固定的，可以是0~32位。

​ 采用斜线标记法，“/”后面的是网络前缀的位数。111.112.113.1/20，表示前20位为网络前缀，后12位为主机号。

（2）地址块

​ CIDR把网络前缀都相同的所有连续IP地址组成一个CIDR地址块。

​ 一个大的地址块往往包含很多小的地址块，所以在路由器的转发表中利用一个大的地址代替许多小的地址，这种方法称为路由聚合。这样就能大大压缩转发表的空间，减少了查找转发表的时间。

（3）地址掩码

​ 我们人类可以通过斜线标记法快速计算出网络前缀，这种斜线标记在计算机中是没有的，而是通过地址掩码来计算的。

​ 子网掩码是一串连续的1和0组成，CIDR记法中斜线后面的数字即为1的个数。

​ 111.112.113.1/20 AND 255.255.240.0 =>111.112.112.0/20

二、地址解析协议ARP

​ 我们知道IP地址是网路层和上层使用的地址，是一种逻辑地址，而MAC地址是数据链路层使用的地址。IP地址放在IP数据报的首部，IP数据报在数据链路层被封装成帧，而MAC地址则放在MAC帧的首部，所以数据链路层是看不见数据报的IP地址的，是依靠MAC地址传送的。所以在数据链路层怎样知道目的地址的MAC地址呢？

​ ARP在主机的ARP高速缓存中存放一个本局域网上的各主机和路由器的IP地址到MAC地址的映射表，并且经常动态更新。

​ 例如在某个局域网，A向B发送数据报，首先在ARP高速缓存中查找B的IP地址，如有则将其对应的MAC地址写入MAC帧然后发送到该MAC地址。

​ 如果找不到呢？

​ （1）A的ARP进程在本局域网上广播一个ARP请求分组，其中包含A的IP地址和MAC地址。

​ （2）本局域网上的所有主机都能收到该分组。

​ （3）主机B的IP地址与ARP请求分组中要查询的IP地址一致，则收下该分组，其他主机都不会理睬这个分组。B向A单播ARP响应分组，其中包含B的MAC地址。（为了避免B向A发送ARP请求分组，减少网络通信量，B在收到A的请求分组后，也会将A的映射信息写入自己的高速缓存）。

​ （4）A收到响应分组后就在其ARP高速缓存中写入主机B的IP到MAC地址的映射。

ARP对保存在高速缓存中的映射项都设置生存时间，凡超过生存时间的项目就从告诉缓存中删掉。这样就能避免因某主机网络适配器损坏导致MAC地址失效，而无法被别的主机找到的问题。

三、IP数据报格式

IP数据报首部格式分为2部分：

1、固定部分

（1）版本

​ 4位。协议IP的版本。

（2）首部长度

​ 4位。以4字节位为单位。因为首部固定长度为20字节，所以最小值为5。最大值为15，所以首部长度最大值为60字节。当首部长度不是4字节的倍数时，则需在填充字段加以填充。这样就能保证数据部分永远在4字节的整数倍开始，方便实现IP协议。

（3）区分服务

​ 8位。用来获得更好的服务。

（4）总长度

​ 16位。首部和数据部分长度之和。最大长度为2¹⁶-1=65535字节，但是受链路层MTU限制，超过MTU则需分片处理，而且实际中也很少传送这么长的数据报。

​ 尽可能长的IP数据报会提高传输效率，但IP数据报越短，路由器转发的速度就越快。因此规定主机和路由器必须能够接受长度不超过576字节的数据报。（512上层数据+60首部长度+4富余）。

（5）标识

​ 16位。IP软件在存储器中维护一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，但这并不是为了按序接收的问题，因为IP本身就是无连接的，而是为了在分片时，给每个分片的标识字段赋值，相同字段值的数据报片就能重装为原来的数据报。

（6）标志

​ 3位，目前只有两位有效。

• 最低位MF（more fragment）：值为表示后面还有分片，为0表示已是数据报片的最后一个。
• 中间位DF（don’t fragment）：不能分片，值为0时才允许分片。

（7）片偏移

​ 13位。分片后，某片在原分组中的相对位置。以8字节为偏移单位（也就是说除了最后一个数据报片外，其他分片都是8字节的整数倍）。

（8）生存时间

​ 8位。TTL（time to live），表明数据报在网络中的寿命。由发出数据报的源点来设置，防止无法交付的数据报无限制的在互联网中兜圈子而耗费网络资源。

​ TTL起初以秒为单位，每经过一个路由器TTL就减去数据报在该路由器所消耗的时间。随着技术的进步，路由器处理数据报的时间一般都远远小于1秒，TTL功能则改为了“跳数限制”。表示该数据报在互联网至多可经过多少个路由器（最大值255）。当TTL减为0时，该数据报就会被丢弃。

（9）协议

​ 8位。指出此数据报携带的数据适用何种协议，以便使目的主机IP层知道应将数据部分上交给哪个协议处理。

（10）首部检验和

​ 16位。只检验数据报的首部，不检验数据部分。

​ 在发送方将首部划分为16位的序列，并把检验和字段置0，以反码算数运算全部相加后再取反码得到检验和字段值。在接收方将所有16位序列以反码算数运算相加后取反码，如果不为0则表示首部发生变化，并将此数据报丢弃。

（11）源地址

​ 32位。发送IP数据报的主机的IP地址。

（12）目的地址

​ 32位。接收IP数据报的主机的IP地址。

2、可变部分