TCP/IP协议 网络层

Posted 2021-02-10 pbdragon

　　IP协议介绍

　　1、IP协议是TCP/IP协议族中最为核心的协议。IP协议将多个包交换网络连接起来，它在源地址和目的地址之间传送一种称为数据包的东西，它还提供对数据大小的重新组装功能，以适应不同网络对包大小的要求。IP协议承载所有上层的TCP、UDP、ICMP数据都以IP数据报格式进行传输。

　　2、IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务。不可靠（unreliable）意为它不提供端到端的或（路由）结点到（路由）结点的确认，对数据没有差错控制，它只使用报头的校验码，它不提供重发和流量控制，如果出错可以通过ICMP报告，ICMP在IP模块中实现，任何需要可靠传输的数据都需要TCP来提供。无连接（connetionless）意为它不维护任何后续数据报的状态信息，每个数据报的处理是相互独立的，数据报可以不按发送顺序接收。

 　　

　　IPv4协议结构

　　

　　1、版本（4bit）：目前的协议版本号是4，IP也称为IPv4。

　　2、首部长度（4bit）：指的是包括IP首部固定部分和可变部分的总长（不含数据部分）。由于首部长度占4bit，可以表示的最大数值为15（二进制数为1111），那它能表示的最长首部长度为60字节。这60字节是怎么计算的呢？因为规定是1bit位代表32bit，那么15 * 4B（32bit/8bit) = 60B(字节)。这也就说明了IP首部的长度最小值是5最大值是15，可以表示的最小长度是20B（字节）最大长度是60B（字节）。

　　3、区分服务（8bit）：包括一个3位的优先字段，4位的TOS字段和1位的保留字段（必须置0）。

　　　　优先字段3位：设置了数据包的重要性，取值越大数据越重要，取值范围为：0（正常）- 7（网络控制），延迟字段：1位，取值：0（正常）、1（期特低的延迟）。

　　　　流量字段：1位，取值：0（正常）、1（期特高的流量）。

　　　　可靠性字段：1位，取值：0（正常）、1（期特高的可靠性）。

　　　　成本字段：1位，取值：0（正常）、1（期特最小成本）。

　　4、总长度（16bit）：总长度是指数个IP数据报的长度，以字节为单位。利用IP首部长度字段和总长度字段，就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。该字段长16bit，因此数据报的最大长度为2^16-1=65535字节。当一个数据报封装成链路层的帧时，此数据报的总长度（即首部加上数据部分）一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。

　　5、标识（16bit）：IP协议在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。但这个“标识”并不是序号，因为IP是无连接服务，数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时，这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中，因此同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。

　　6、标志（3bit）：第一位保留。第二位（Don’t Fragment，DF）表示“禁止分片”。如果设置了这个位，IP模块将不对数据报进行分片，在这种情况下，如果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（More Fragment，MF）表示“更多分片”，除了数据报的最后一个分片外，其他分片都要把它置1。

　　7、片偏移（13bit）：较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。也就是说，相对用户数据字段的起点，该片从何处开始，片偏移以8个字节为偏移单位，这就是说，除了最后一个分片，每个分片的长度一定是8字节（64位）的整数倍。

　　8、生存时间（8bit）：（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。TTL值被发送端设置（常见的值是64）。数据报在转发过程中每经过一个路由，该值就被路由器减1。当TTL值减为0时，路由器将丢弃数据报，并向源端发送一个ICMP差错报文。TTL值可以防止数据报陷入路由循环。

　　9、协议（8bit）：用来区分上层协议，其中，ICMP是1，TCP是6，UDP是17。

　　10、首部检验和（8bit）：这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分，这是因为数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和。（交换机是二层设备不识别IP数据报文这要注意）

　　11、源地址（32bit）：

　　12、源端IP地址和目的端IP地址：用来标识数据报的发送端和接收端。一般情况下，这两个地址在整个数据报的传递过程中保持不变，而不论它中间经过多少个中转路由器。

　　13、可选字段（40bit）：这部分最多包含40字节，因为IP头部最长是60字节（其中包含固定部分20字节）。此字段的长度可变，从1个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目，某些选项项目只需要1个字节，它只包括1个字节的选项代码。但还有些选项需要多个字节，这些选项一个个拼接起来，中间不需要有分隔符，最后用全0的填充字段补齐成为4字节的整数倍。可选包括：

　　　　记录路由（record route），告诉数据报途经的所有路由器都将自己的IP地址填入IP头部的选项部分，这样我们就可以跟踪数据报的传递路径。

　　　　时间戳（timestamp），告诉每个路由器都将数据报被转发的时间，填入IP头部的选项部分，这样就可以测量途经路由之间数据报传输的时间。

　　　　松散源路由选择（loose source routing），指定一个路由器IP地址列表，数据报发送过程中必须经过其中所有的路由器。

　　　　严格源路由选择（strict source routing），和松散源路由选择类似，不过数据报只能经过被指定的路由器。

 

 　　IP路由选择（实例 ）

　　测试路由的走向，我用H3c模拟器做了实验，整个环境中有R1、R2、R3三台路由器，路由器的MAC、IP都标识如下：

　　

　　测试项目

　　　　1、目标IP与本地IP是同一地址段（如172.16.1.1 -> 172.16.1.2)，不需要网关转发，即可通信，

　　　　　　请求时，源MAC地址（78:51:7b:21:0f:05）、源IP地址(172.16.1.1) 向 目标MAC地址（78:51:84:11:10:05）目标IP地址（172.16.1.2）发请求包；

　　　　　　回复时，目标MAC地址（78:51:84:11:10:05）、目标IP地址（172.16.1.2）向 源MAC地址（78:51:7b:21:0f:05）、源IP地址(172.16.1.1) 发回复包。

　　　　2、目标IP与本地IP是不同地址段（如172.16.1.1 -> 172.16.2.2)，需要网关转发，才可通信，

　　　　　　请求时，源MAC地址（78:51:7b:21:0f:05）、源IP地址(172.16.1.1) 向 目标MAC地址（78:51:84:11:10:05）目标IP地址（172.16.2.2）发请求包；

　　　　　　回复时，目标MAC地址（78:51:84:11:10:05）、目标IP地址（172.16.2.2）向 源MAC地址（78:51:7b:21:0f:05）、源IP地址(172.16.1.1) 发回复包。

　　　　注：通过观查测试结果可以知道，当目标IP与本地IP是不同地址段时，请求和回复时，都需要通过R1路由器上的网关R2上的接口地址请求和回复，也就是需要网关来完成数据报的转发，而IP地址无论是请求还是回复两种测试项目中都无变化（没有做NAT的情况）。