03-IP网际协议

Posted 2020-11-18 oceanf

IP

1. I P是T C P / I P协议族中最为核心的协议。所有的 T C P、U D P、I C M P及I G M P数据都以I P数据报格式传输。
   

   不可靠（ u n r e l i a b l e）的意思是它不能保证 I P数据报能成功地到达目的地。 I P仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， I P有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 I C M P消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如T C P）。
   无连接（ c o n n e c t i o n l e s s）这个术语的意思是 I P并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， I P数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是 A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此 B可能在A到达之前先到达。
   在这里，简要介绍 I P首部中的各个字段，讨论 I P路由选择和子网的有关内容。还要介绍两个有用的命令： i f c o n f i g和n e t s t a t。

2.IP首部

4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是 0?7 bit，其次8?15 bit，然后1 6?23 bit，最后是24~31 bit。这种传输次序称作 big endian字节序。由于 T C P / I P首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器，如 little endian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。
 目前的协议版本号是4，因此I P有时也称作 I P v 4。
 服务类型(TOS)字段，4bit的TOS分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均为0，那么就意味着是一般服务。

路由协议如 O S P F和I S - I S都能根据这些字段的值进行路由决策。
T T L（t i m e - t o - l i v e）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间。T T L的初始值由源主机设置（通常为3 2或6 4），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。当该字段的值为 0时，数据报就被丢弃，并发送 I C M P报文通知源主机。
每一份 I P数据报都包含源 I P地址和目的 I P地址。它们都是 32 bit的值。

3.IP路由选择
从概念上说， I P路由选择是简单的，特别对于主机来说。如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或都在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么I P数据报就直接送到目的主机上。否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。大多数的主机都是采用这种简单机制。
路由表中的每一项都包含下面这些信息：
目的I P地址。它既可以是一个完整的主机地址，也可以是一个网络地址，由该表目中的标志字段来指定（如下所述）。主机地址有一个非0的主机号，以指定某一特定的主机，而网络地址中的主机号为0，以指定网络中的所有主机（如以太网，令牌环网）。
下一站（或下一跳）路由器（ next-hop router）的I P地址，或者有直接连接的网络 I P地址。下一站路由器是指一个在直接相连网络上的路由器，通过它可以转发数据报。下一站路由器不是最终的目的，但是它可以把传送给它的数据报转发到最终目的。
标志。其中一个标志指明目的 I P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正的下一站路由器，还是一个直接相连的接口。
为数据报的传输指定一个网络接口。

I P路由选择是逐跳地（ h o p - b y - h o p）进行的。I P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I P路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的 I P地址。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的，而且下一站路由器与该主机是直接相连的。
 
I P路由选择主要完成以下这些功能：
1)  搜索路由表，寻找能与目的 I P地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配）。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。
2)搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。目的网络上的所有主机都可以通过这个表目来处置。例如，一个以太网上的所有主机都是通过这种表目进行寻径的。
这种搜索网络的匹配方法必须考虑可能的子网掩码。
3)搜索路由表，寻找标为“默认（ d e f a u l t）”的表目。如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。
如果上面这些步骤都没有成功，那么该数据报就不能被传送。如果不能传送的数据报来自本机，那么一般会向生成数据报的应用程序返回一个“主机不可达”或“网络不可达”的错误。
完整主机地址匹配在网络号匹配之前执行。只有当它们都失败后才选择默认路由。默认路由，以及下一站路由器发送的 I C M P间接报文（如果我们为数据报选择了错误的默认路由），是I P路由选择机制中功能强大的特性。
为一个网络指定一个路由器，而不必为每个主机指定一个路由器，这是 I P路由选择机制的另一个基本特性。这样做可以极大地缩小路由表的规模.
一个简单的例子：我们的主机 b s d i有一个I P数据报要发送给主机 s u n。双方都在同一个以太网上.数据报的传输过程如图.

I P从某个上层收到这份数据报后，它搜索路由表，发现目的 I P地址（1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3）在一个直接相连的网络上（以太网 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 0）。于是，在表中找到匹配网络地址（在下一节中，我们将看到，由于以太网的子网掩码的存在，实际的网络地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 2，但是这并不影响这里所讨论的路由选择）。
数据报被送到以太网驱动程序，然后作为一个以太网数据帧被送到 s u n主机上.I P数据报中的目的地址是s u n的I P地址（ 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3），而在链路层首部中的目的地址是 48 bit的s u n主机的以太网接口地址。这个 48 bit的以太目的

网地址是用 A R P协议获得的.

另一个例子：主机 b s d i有一份I P数据报要传到 f t p . u u . n e t主机上，它的I P地址是1 9 2 . 4 8 . 9 6 . 9。经过的前三个路由器如图 3 - 4所示。首先，主机b s d i搜索路由表，但是没有找到与主机地址或网络地址相匹配的表目，因此只能用默认的表目，把数据报传给下一站路由器，即主机 s u n。当数据报从 b s d i被传到 s u n主机上以后，目的 I P地址是最终的信宿机地址（1 9 2 . 4 8 . 9 6 . 9），但是链路层地址却是 s u n主机的以太网接口地址。这与图 3 - 3不同，在那里数据报中的目的I P地址和目的链路层地址都指的是相同的主机（ s u n）。

当s u n收到数据报后，它发现数据报的目的 I P地址并不是本机的任一地址，而 s u n已被设置成具有路由器的功能，因此它把数据报进行转发。经过搜索路由表，选用了默认表目。根据s u n的默认表目，它把数据报转发到下一站路由器 n e t b，该路由器的地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1 8 3。数据报是经过点对点 S L I P链路被传送的，采用了最小封装格式。这里，我们没有给出像以太网链路层数据帧那样的首部，因为在 S L I P链路中没有那样的首部。
当n e t b收到数据报后，它执行与s u n主机相同的步骤：数据报的目的地址不是本机地址，而n e t b也被设置成具有路由器的功能，于是它也对该数据报进行转发。采用的也是默认路由表目，把数据报送到下一站路由器 g a t e w a y（1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 4）。位于以太网 1 4 0 . 2 5 2 . 1上的主机n e t b用A R P获得对应于 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 4的48 bit以太网地址。这个以太网地址就是链路层数据帧头

上的目的地址。
路由器g a t e w a y也执行与前面两个路由器相同的步骤。它的默认路由表目所指定的下一站路由器 I P地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 0 4 . 2。
一些关键点：
1) 该例子中的所有主机和路由器都使用了默认路由。事实上，大多数主机和一些路由器可以用默认路由来处理任何目的，除非它在本地局域网上。
2) 数据报中的目的I P地址始终不发生任何变化。所有的路由选择决策都是基于这个目的I P地址。
3) 每个链路层可能具有不同的数据帧首部，而且链路层的目的地址（如果有的话）始终指的是下一站的链路层地址。在例子中，两个以太网封装了含有下一站以太网地址的链路层首部，但是 S L I P链路没有这样做。以太网地址一般通过 A R P获得。

4.子网寻址
现在所有的主机都要求支持子网编址。不是把I P地址看成由单纯的一个网络号和一个主机号组成，而是把主机号再分成一个子网号和一个主机号。
这样做的原因是因为 A类和B类地址为主机号分配了太多的空间，可分别容纳的主机数为22 4-2和21 6-2。事实上，在一个网络中人们并不安排这么多的主机。由于全0或全1的主机号都是无效的，因此我们把总数减去 2。
在I n t e r N I C获得某类I P网络号后，就由当地的系统管理员来进行分配，由他（或她）来决
定是否建立子网，以及分配多少比特给子网号和主机号。例如，这里有一个 B类网络地址（1 4 0 . 2 5 2），在剩下的16 bit中，8 bit用于子网号，8 bit用于主机号，格式如图 3 - 5所示。这样就允许有2 5 4个子网，每个子网可以有 2 5 4台主机。

许多管理员采用自然的划分方法，即把 B类地址中留给主机的 16 bit中的前8 bit作为子网地址，后 8 b i t作为主机号。这样用点分十进制方法表示的 I P地址就可以比较容易确定子网号。但是，并不要求A类或B类地址的子网划分都要以字节为划分界限。
子网对外部路由器来说隐藏了内部网络组织（一个校园或公司内部）的细节。在我们的网络例子中，所有的I P地址都有一个B类网络号 1 4 0 . 2 5 2。但是其中有超过3 0个子网，多于4 0 0台主机分布在这些子网中。由一台路由器提供了 I n t e r n e t的接入

5.子网掩码
任何主机在引导时进行的部分配置是指定主机 I P地址。大多数系统把 I P地址存在一个磁盘文件里供引导时读用。
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。图 3 - 7是一个B类地址的两种不同的子网掩码格式。第一个例子是 n o a o . e d u网络采用的子网划分方法，如图 3 - 5所示，子网号和主机号都是 8 bit宽。第二个例子是一个B类地址划分成10 bit的子网号和6 bit的主机号。

尽管I P地址一般以点分十进制方法表示，但是子网掩码却经常用十六进制来表示，特别是当界限不是一个字节时，因为子网掩码是一个比特掩码。
给定I P地址和子网掩码以后，主机就可以确定 I P数据报的目的是：
( 1)本子网上的主机；
(2)本网络中其他子网中的主机；
( 3)其他网络上的主机。
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。

举例
假设我们的主机地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1（一个B类地址），而子网掩码为 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 0（其中8 b i t为子网号，8 bit为主机号）。
? 如果目的I P地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 4 . 5，那么我们就知道B类网络号是相同的（ 1 4 0 . 2 5 2），但是子网号是不同的（1和4）。用子网掩码在两个I P地址之间的比较如图3 - 8所示。
? 如果目的 I P地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 2 2，那么B类网络号还是一样的（ 1 4 0 . 2 5 2），而且子网号也是一样的（1），但是主机号是不同的。
? 如果目的I P地址是 1 9 2 . 4 3 . 2 3 5 . 6（一个C类地址），那么网络号是不同的，因而进一步的比较就不用再进行了。

给定两个I P地址和子网掩码后，I P路由选择功能一直进行这样的比较。

6.特殊情况的IP地址
经过子网划分的描述，现在介绍 7个特殊的I P地址，如图3 - 9所示。在这个图中， 0表示所有的比特位全为0；- 1表示所有的比特位全为1；n e t i d、s u b n e t i d和h o s t i d分别表示不为全0或全1的对应字段。子网号栏为空表示该地址没有进行子网划分。

把这个表分成三个部分。表的头两项是特殊的源地址，中间项是特殊的环回地址，最后四项是广播地址。
表中的头两项，网络号为0，如主机使用B O O T P协议确定本机I P地址时只能作为初始化过程中的源地址出现。

7.一个子网的例子

问题是我们在子网 1 3中有两个分离的网络：一个以太网和一个点对点链路（硬件连接的S L I P链路）（点对点链接始终会带来问题，因为它一般在两端都需要 I P地址）。将来或许会有更多的主机和网络，但是为了不让主机跨越不同的网络就得使用不同的子网号。我们的解决方法是把子网号从 8 bit 扩充到11 b i t，把主机号从 8 bit 减为 5 bit。这就叫作变长子网，因为1 4 0 . 2 5 2网络中的大多数子网都采用 8 bit子网掩码，而我们的子网却采用 11 bit的子网掩码。
如下图，11位子网号中的前8 bit始终是1 3。在剩下的3 bit中，我们用二进制 0 0 1表示以太网，0 1 0表示点对点 S L I P链路。这个变长子网掩码在 1 4 0 . 2 5 2网络中不会给其他主机和路由器带来问题—只要目的是子网 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3的所有数据报都传给路由器s u n（I P地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 2 9），如图 3 - 11所示。如果 s u n知道子网 1 3中的主机有 11 bit子网号，那么一切都好办了。

1 4 0 . 2 5 2 . 1 3子网中的所有接口的子网掩码是 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 2 2 4，或0 x ffffff e 0。这表明最右边的5 bit留给主机号，左边的27 bit留给网络号和子网号。
第1栏标为是“主机”，但是s u n和b s d i也具有路由器的功能，因为它们是多接口的，可以把分组数据从一个接口转发到另一个接口。
这个表中的最后一行是图 3 - 1 0中的广播地址 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 6 3：它是根据以太网子网号（1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 2）和图3 - 11中的低5位置1（1 6＋8＋4＋2＋1＝3 1）得来的。

IP的未来:

I P主要存在三个方面的问题。
1)B类地址枯竭
2)  32 bit的I P地址从长期的I n t e r n e t增长角度来看，是不够用的。
3)当前的路由结构没有层次结构，属于平面型 ( f l a t )结构，每个网络都需要一个路由表目。

来源: TCP/IP 卷一