第二章IP协议详解

Posted 2020-10-31 yjds

一、IP服务的的特点

IP协议是TCP/IP协议族的动力，他为上层协议提供的无状态无连接，不可靠的服务。

　　无状态是指IP通信双方不同步传输数据的状态信息，因此所有的ip数据报的发送，传出和接受都是相互独立的，没有上下文的联系。这种服务最大的缺点就是无法处理乱序和重复的IP数据报。比如，发送端发送出的第N个数据包可能逼第N+1个报文段后到达接收端，而同一个IP数据报也可能经过不同的路径多次到达接收端。IP数据报头部提供了一个标识字段用以唯一的标识一个 IP数据报，但它是被用来处理IP分片和重组的，而不是用来指示接受顺序的。

　　无状态的优点也有，简单高效，我们无须为保持通信的状态而分配一些内核资源，也无需每次传输数据是都携带上状态信息。网络协议中，无状态是很常见的，比如UDP协议和HTTP协议就是无状态连接。以HTTP协议为例，一个浏览器连续俩次网页请求之间没有任何关系，他将被web服务器独立的处理。

　　无连接是指IP通信双方都不长久的维持对方的任何信息，这样，上层协议每次发送数据报的时候，都必须明确指定对方的ip地址。

　　不可靠是指IP协议不能保证数据报准确的到达接收端，他只是承诺尽最大努力。导致IP数据报发送失败。

二、IPV4头部结构。

　　iPV4头部结构如下图，其长度通常为20字节，除非含有可变长的选项部分。

4位版本号

4位头部长度

8位服务类型

16位总长度（字节数）

8位生存时间TTL

8位协议

16位头部校验和

32位源端IP地址

32位目的端IP地址

选项，最多40个字节

4位版本号：制定IP协议的版本。

4位头部长度：标识该IP头部有多少个32bit字，因为4位是最大能表示15，所以IP头部最长是60字节。

8位服务类型：

16位总长度是指整个UP数据包的长度。

16位标识唯一标识主机发送的每一个报文段。

三、IP分片。

　　 前面提到，当IP数据报长度超过帧MTU时候，他将被分片传输。分片可能发送在发送端，也可能发生在中转的路由器上，而且可能在传输过程中被多次分片，但是只有在最终的目标机器上，这些分片才会被内核中的IP这些分片才会被内核中的IP模块重新组装。

　　IP数据包头部：数据报标识，标志和片偏移。一个IP数据报的每个IP数据分片都有自己的IP头部，他们具有相同的标识值，但是具有不同的片偏移。并且除了最后一个分片外，其它分片都将设置MF标志。此外，每个分片的IP头部的总长度将被设置为该分片的长度。

　　以太网，帧的长度为MTU1500字节，因此他携带的IP数据报的数据部分最多是1480字节，（IP头部需要占20字节）。考虑，用IP数据报文封装一个长度为1481字节的ICMP报文（包括ICMP头部8字节，所以长度是1473字节），则该数据报在使用以太网帧传输的时候必须被分片。

四、IP路由。

　　IP协议的一个核心任务就是数据包的路由，即确定发送数据报到目标机器的路径。为了理解IP路由过程，我们先简要分析IP模块的基本工作流程。

1、IP模块工作流程：当IP模块接受来自数据链路层的IP数据报的时候，他首先对该数据报进行CRC校验，确认无误之后就分析其头部的具体信息。如果该数据包头部设置了源站选路选项，则，IP模块调用数据包转发子模块来处理该数据报。如果该IP数据报的头部中目标IP地址是本机的某个IP地址，或者广播地址，就是该数据报是发送给本机的，则IP模块就根据数据包头部中的协议字段来决定发给那个上层应用。如果IP模块发现这个数据包不是发送给本机的，则也调用数据包转发子模块来处理该数据报。

　　数据包转发子模块将首先检测系统是够允许转发，如果不允许，IP模块就将数据包丢弃。如果允许，数据包转发子模块将对该数据包执行一些操作，然后将它交给IP数据报输出子模块。

　　IP数据报应该发送给哪个下一跳路由（或者目标机器），以及经过那个网卡来发送，就是IP数据报路由过程。IP模块实现数据包路由的核心数据结构是路由表。这个表按照数据报的目标IP地址分类，同一类型的IP数据报将被发送往相同的下一跳路由（或是目标机器）。

　　IP输出队列中存放的是所有等待发送的IP数据报，其中除了需要转发的IP数据报之外，还包括封装了本机上层数据（ICMP报文，TCP报文段和UDP数据报）的IP数据报。

2、路由机制：；路由表是如何按照IP地址分类的？

（1）查找路由表中和数据包的目标IP地址，完全匹配的主机ip地址。如果找到，就使用该路由项，没找到则转步骤2。

（2）查找路由表中和数据包的目标IP地址具有相同的网路ID的网络IP地址。如果找到，就使用该路由项；没找到则跳转步骤3.

（3）选择默认路由项，这通常意味着数据包的下一跳路由是网关。

3、路由表更新。

　　路由表必须能够更新，以反映网络连接的变化，这样的IP模块才能更准确，高效的穿法数据报。route命令可以修改路由表。

五、IP转发。

不是发送给本机的IP数据报转发子模块来处理。路由器都能执行数据包的转发操作，而主机一般只发送和接受数据报，这是因为主机上的讷河参数默认被设置为0，。我们可以通过修改他来使能主机的数据报转发功能。

六、重定向。

1、ICMP重定向报文。

8位类型

8位代码

16位校验和

应该使用的路由器的IP地址

原始IP数据报的头部信息（包括可选字段）+数据部分的前8个字节

ICMP报文头部的三个固定字段，8位类型，8位代码，16位校验和。ICMP重定向报文的类型是5，代码段由4个可选值，用来区分不同的重定向类型。