IP协议简介

Posted 2021-09-20 zkccnb

IP协议简介

IP协议真是一个复杂的协议。。想象一下它要直接控制数以亿计的各种网络设备，形成极其复杂的网络环境。详细介绍IP协议的方方面面并不是我们的重点，本篇只简要介绍IP协议的几个侧面。

一、IP报文格式

图1 IPv4与IPv6报文格式对比

• **源地址和目标地址：**IPv4和IPv6共有部分，这个必须得有，因为IP协议就是干这个的：将数据包从源IP发送到目标IP。
• **分片相关：**标识字段、标志字段、片偏移字段。稍后会看到IPv4的分片机制，用这3个字段保证IP分片后可以正确重组。但IPv6嫌在网络层（各路由器中）分片再重组太麻烦了，所以取消了分片机制。
• **生存时间：**之前介绍过，网络层数据包经过一定数量的路由器后如果还没到达目的地，就会被当前路由器丢弃，同时发送ICMP协议报文给源端，通知此消息。生存时间这个量的单位其实是跳数。
• **校验：**IPv4会对数据包进行网络层的校验（意味着每个路由器都要如此）。IPv6取消了网络层校验，因为链路层和传输层都有相应的校验机制，网络层其实做了重复的工作。

可以看到，IPv6比IPv4的首部短了很多，而且还取消了分片和校验机制。这就使得使用IPv6协议进行传输速度更快。

二、IP协议分片

讲TCP的基本性质时，提到了网络层的数据包最大运载单元（MTU）和传输层的最大报文单元（MSS）的关系：

图2 MTU与MSS的关系

IP层为什么要分片呢？

因为下层协议（传输层）向上层提供的单元运载能力有限（常用的以太网链路MTU为1500B），超过了下层协议的单元运载能力将导致包被丢弃，所以IP层需要确保不会出现超过链路最大运载能力的包。

IP层的分片十分简单粗暴：每个路由器测量加上IP头部的数据包长度超过MTU，则拆成多个片打出去。而当最后一跳路由器发现这些分片中的一个丢了，则抛弃所有分片，也不重传！如果没丢，则在路由器中重组这些分片。

之前也提到过，TCP会对数据长度超过MSS的部分自动分片，使得每一个TCP报文段的数据长度不大于MSS。这是为了避免触发IP层的分片机制。因为如果触发了IP分片，且当前丢失了一个IP片后，IPv4会丢掉所有其他的分片。。效率很低。而传输层的分片效率就不低了，丢了只会重传当前的分片（因为TCP会在内核中缓存其他正常收到的片）。

因此，IPv6才放弃了网络层分片的想法，既然上层协议不买账（TCP自己分片，UDP不建议传超过MSS的数据），而且在路由器中重组分片也会额外花费一些时间，那不如干脆取消了。

三、路由选择简介

IP协议最核心的部分应该就是路由选择算法了。同样也是最复杂精妙的部分，这里只简单介绍其大概的工作流程。

1.路由器结构

从物理上说路由器是由：若干输入端口、路由选择处理器、若干输出端口 构成的。

而从网络层的抽象上说，路由器本身维护着若干IP地址，每一个IP地址代表连接一个网络的接口。

每个路由器和主机维护一个路由表，即网络地址和下一跳地址的键值表。

2. 路由选择过程

• 第一跳，源主机 to 默认网关路由器（主机连上网络后自动分配默认网关）：

  当数据包还在主机这时，先查主机的路由表，主机路由表记录着默认网关的几个对内接口IP。如果匹配上了，就说明此包发向局域网，通过默认网关路由内网接口转发即可；如果匹配不上，则发给默认网关路由器IP。

• 中间跳：路由器to路由器：

  发往外网的数据包中间可能会经历若干路由器，每个路由器都通过子网掩码判断目标IP所处的网络地址。然后对网络地址查找路由表匹配到下一跳地址，将其发出。

• 最后一跳：目标端局域网路由器 to 目标主机：

  经过若干中间跳，现在已经到了目标主机的内网路由器了！目标路由器也有若干内网接口，所以还是会匹配与目标IP相符的内网接口IP，先把数据包发送到此内网接口上。最后，再由此内网接口经过链路层交换机转发到目标主机。

  另外，链路层交换机和网络层交换机（路由器）可不一样，链路层交换机存在于两个路由器之间的输入输出接口中间，也存在于路由器输出接口到目标主机之间。负责提供设备到设备间的传送服务，在链路层中会具体介绍这种设备。

  结合下面的图更能看清这个过程的大概：
  
  图3 路由选择过程