《TCP/IP详解》学习笔记-第3章 IP：网际协议

1、概述

IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP,UDP,ICMP,IGMP数据都以IP数据报格式传输。IP提供不可靠，无连接的数据报传送服务。
（1）不可靠：它不能保证IP数据报能成功的到达目的地。
（2）无连接：IP并不维护关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理都是相互独立的。

2、IP首部

普通的IP数据报首部为20个字节，除非含有选项字段。

如图，还记得那8位的TTL字段是做什么的么？这个字段规定该数据包在穿过多少个路由之后才会被抛弃(这里就体现出来IP协议包的不可靠性，它不保证数据被送达)，某个ip数据包每穿过一个路由器，该数据包的TTL数值就会减少1，当该数据包的TTL成为零，它就会被自动抛弃。这个字段的最大值也就是255，也就是说一个协议包也就在路由器里面穿行255次就会被抛弃了，根据系统的不同，这个数字也不一样，一般是32或者是64，Tracerouter这个工具就是用这个原理工作的，tranceroute的-m选项要求最大值是255，也就是因为这个TTL在IP协议里面只有8bit。

IP首部中包括如下内容：
（1）版本号：目前的版本号为4，即IPv4
（2）首部长度：指的是首部占32bit字的数目，包括选项长度
（3）服务类型（TOS）：（现在大多数的TCP/IP实现不支持TOS特性）4bit的TOS分别代表：最小延迟，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。4bit只能置其中1bit，如果4bit均为0，则为一般服务。
（4）总长度字段：整个IP数据报的长度，以字节为单位。总长度是IP首部中必要的内容。
（5）标识字段：唯一地标识主机发送的每一份数据报。
（6）标志字段：会在IP分片和重组的时候使用到。标志字段的最低位记为MF,中间的一位记为DF。MF=1表示后面还有分片。DF=0时，才能进行分片。
（7）TTL(time-to-live)：设置了数据可以经过的最多的路由器数，每经过一次路由器，该值-1.
（8）首部检验和：是根据IP首部计算的检验和码。
（9）源地址：
（10）目的地址：
（11）任选项：（一般没有）包括以下内容：a.安全和处理限制、b.记录路径（每个路由器都记录它的IP地址）、c.时间戳、d.宽松的源站选路、e.严格的源站选路

3、IP路由选择

1、路由表

IP层在内存中有一个路由表。路由表中的每一项都包含下面这些信息：
（1）目的IP地址。可以是完整的主机地址，也可以是网络地址，由标志字段来指定。
（2）下一站（或者下一跳）路由器的IP地址。
（3）标志。其中一个标志指明目的IP地址是网络地址还是主机地址，另一个标志指明下一站路由器是否为真的下一站路由器，还是一个直接相连的接口。
（4）为数据报的传输指定一个网络接口。

2、路由选择

IP路由选择是逐跳地（hop-by-hop）进行的。IP并不知道到达任何目的的完整路径（当然，除了那些与主机直接相连的目的） 。所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的IP地址。

当一个IP数据包准备好了的时候，它是如何选择一个合适的路径将数据包送到目的地的？

1）最特殊的情况是目的主机和主机直连，那么主机根本不用寻找路由，直接把数据传递过去就可以。至于是怎么直接传递的，这就要靠ARP协议。

2）一般的情况是，主机通过若干个路由器(router)和目的主机连接。那么路由器就要通过ip包的信息来为ip包寻找到一个合适的目标来进行传递，比如合适的主机，或者合适的路由。路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个IP数据包：
（1）如果IP数据包的TTL（生命周期）已到，则该IP数据包就被抛弃。
（2）搜索路由表，优先搜索匹配主机，如果能找到和IP地址完全一致的目标主机，则将该包发向目标主机
（3）搜索路由表，如果匹配主机失败，则匹配同子网的路由器，这需要“子网掩码”的协助。如果找到路由器，则将该包发向路由器。
（4）搜索路由表，如果匹配同子网路由器失败，则匹配同网号路由器，如果找到路由器，则将该包发向路由器。
（5）搜索路由表，如果以上都失败了，就搜索默认路由，如果默认路由存在，则发包。
（6）如果都失败了，就丢掉这个包。

4、子网寻址

地址格式为：

IP地址=网络地址+主机地址

或

IP地址=网络地址+子网地址+主机地址。

（1）网络号：用于识别主机所在的网络；
（2）主机号：用于识别该网络中的主机。

IP地址分为五类，A类保留给政府机构，B类分配给中等规模的公司，C类分配给任何需要的人，D类用于组播，E类用于实验，各类可容纳的地址数目不同。
A、B、C三类IP地址的特征：当将IP地址写成二进制形式时，A类地址的第一位总是0，B类地址的前两位总是10，C类地址的前三位总是110。

子网掩码：

除了I P 地址以外，主机还需要知道有多少比特用于子网号及多少比特用于主机号。这是在引导过程中通过子网掩码来确定的。

这个掩码是一个 32 bit 的值，其中值为 1的比特留给网络号和子网号，为 0的比特留给主机号。

如果知道本机的 I P地址，那么就知道它是否为 A类、B类或C类地址(从I P地址的高位可以得知)，也就知道网络号和子网号之间的分界线。而根据子网掩码就可知道子网号与主机号之间的分界线。