IP 协议详解

IP 协议详解

IP　头部信息。
IP　数据报的路由和转发

IP 服务的特点

无状态、无连接、不可靠
指 IP 通讯双方不同步传输数据的状态信息。从上层协议来看，上层接收到的数据 可能是乱序的、重复的。
无状态协议（常见的协议）优点：无须为保持通讯的状态而分配一些内核资源，也无需每次传输数据时都携带状态信息。如 UDP 协议和 HTTP 协议。
无连接是指通讯双方都不长久地维持对方的任何信息。
不可靠是指 IP 协议不能保证 IP 数据报准确地到达接收端，只是承诺尽最大努力。
使用 IP 服务的上层协议（ TCP 协议）需要自己实现数据确认 、超时重传等机制以达到可靠传输的目的。

IPv4 头部结构

20字节，除非含有可变长选项部分

4 位版本号：指定 IP 协议的版本。IPv4为6.
4位头部长度：标识该 IP 头部有多少32 bit 字。
8位服务类型（type of service,TOS）：3位优先权字段（已被忽略），4位 TOS 字段 （最小延时，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用，其中最多有一个可置为1）和1位保留保留字段（必须置0）.
16位总长度：是指整个 IP 数据报的长度（最大2^16-1=65535字节）， 但由于 MTU 的限制，长度超过 MTU 的数据报都将被分片传输。
16位标识：唯一的标识主机发送的每一个数据报。每发送一个数据报，其值就加一（初始值系统随机生成）。同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。
3位标志字段：第一位保留；第二位（DF，Don‘t Fragment）表示禁止分片。如果为1且IP 数据报长度超过MTU 的话，IP 模块将丢弃该数据报并返回一个ICMP 差错报文；第三位（MF，More Fragment）表示更多分片，除了数据报的最后一个分片其他分片都要把它置一。
13位分片偏移是分片相对原始IP 数据报开始处（仅指数据部分的偏移）的偏移。实际的偏移值是该值乘以８（左移３位）。每个IP分片的数据部分的长度必须是８的整数倍。
８位生存时间（Time To Live,TTL）是数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。被发送端设置（常见为64）。当TTL减为0，路由器将数据报丢失，并向源端发送一个ICMP 差错报文。
8位协议用来区分上层协议。protocol字段值：ICMP是1，TCP是6，UDP是17。
16位头部校验和由发送端填充，接收端对其使用CRC算法以校验IP数据报的头部（仅头部）在传输过程中是否损坏。
32位源端IP地址和32位目的端IP地址用来标识数据报的发送端和接收端。
选项字段是可变长的可选信息，最多包含40个字节。可选的IP选项包括：
记录路由 ，时间戳（timestamp），松散源路由选择，严格源路由选择。

使用 tcpdump 观察IPv4头部结构

sudo tcpdump -ntx -i lo 
telent 127.0.0.1  #在另一个终端中输入

IP分片

一个IP数据报的每个分片都具有自己的IP头部，他们具有相同的标识值，但具有不同的片偏移。
IP层传输给数据链路层的数据可能是一个完整的IP数据报，也可能是一个IP分片，它们统称为IP分组（packet）
注意：不区分IP数据报和IP分组。

IP路由

IP协议的一个核心任务是数据报路由，即决定发送数据报到目标机器的路径。

路由机制

路由机制三步骤：
（1）查找完全匹配的IP地址。
（2）查找具有相同网络ID的网络IP地址。
（3）选择默认路由项，意味着下一跳路由是网关。所有因特网的请求都将通过网关来转发。
通过route命令或其他工具手工修改路由表，是静态的路由更新方式。

IP转发

数据报转发子模块将对期望转发的数据报执行如下操作
（1）检查TTL值。为0丢弃该数据包。
（2）查看数据报头部的严格源路由选择选项。
（3）如果必要，给源端发送ICMP重定向报文。
（4）TTL减一。
（5）处理IP头部选项。
（6）如果必要，执行IP分片操作

重定向

此报文也能用于更新路由表（通常是更新路由表缓冲）。
一般来说，主机只能接受ICMP重定向报文，而路由器只能发送ICMP重定向报文

主机重定向实例

IPv6头部结构

IPv6头部由40字节的固定头部和可变长的扩展头部组成。

IPv6固定头部结构

4位版本号指定IP协议的版本。IPv6的值为6.
8位通信类型指示数据流通信类型或优先级，和IPv4中TOS类似。
20位流标签是IPv6新增加的字段，用于音频或视频等实时数据传输。
16位净荷长度IPv6扩展头部和应用程序数据长度之和。
8位下一个包头指出紧跟IPv6固定头部后的包头类型（扩展头或某个上层协议）。类似IPv4头部中的协议字段。
8位跳数限制和IPv4中的TTL含义相同。
128位源端IP地址和128位目的端IP地址：零压缩法表示（只能使用一次）

IPv6扩展头部结构