IP子網定址,IP路由選擇,IP首部拆解,IP標準化過程

IP子網定址

現在所有的主機都要求支援子網編址（RFC950[MogulandPostel1985]）。不是把I
P地址看成由單純的一個網路號和一個主機號組成，而是把主機號再分成一個子網號和一個主機號。
這樣做的原因是因為A類和B類地址為主機號分配了太多的空間，可分別容納的主機數為224-2和21
6-2。事實上，在一個網路中人們並不安排這麼多的主機。由於全0或全1的主機號都是無效的，因此我們把總數減去2。
在InterNIC獲得某類I
P網路號後，就由當地的系統管理員來進行分配，由他（或她）來決定是否建立子網，以及分配多少位元給子網號和主機號。例如，這裡有一個B類網路地址（140.252），在剩下的16bit中，8bit用於子網號，8bit用於主機號，格式3-5所示。這樣就允許有254個子網，每個子網可以有254台主機。

圖3-5 B類地址的一種子網編址
許多管理員採用自然的劃分方法，即把B類地址中留給主機的16 bit 中的前8 bit 作為子網地址，後8 b i t作為主機號。這樣用點分十進位方法表示的I P地址就可以比較容易確定子網號。但是，並不要求A類或B類地址的子網劃分都要以位元組為劃分界限。
大多數的子網例子都是B類地址。其實，子網還可用於C類地址，只是它可用的位元數較少而已。很少出現A類地址的子網例子是因為A類地址本身就很少（但是，大多數A類地址都是進行子網劃分的）。
子網對外部路由器來說隱藏了內部網路組織（一個校園或公司內部）的細節。在我們的網路例子中，所有的I P地址都有一個B類網路號1 4 0 . 2 52。但是其中有超過3 0個子網，多於4 0 0 台主機分布在這些子網中。由一台路由器提供了I n t e r n e t的接入，3 - 6所示。
在這個圖中，我們把大多數的路由器編號為Rn，n是子網號。我們給出了串連這些子網的路由器，同時還包括了扉頁前圖中的九個系統。在圖中，乙太網路用粗線表示，點對點鏈路用虛線表示。我們沒有畫出不同子網中的所有主機。例如，在子網14 0 . 2 5 2 . 3上，就超過5 0台主機，而在子網1 4 0 . 2 5 2 . 1上則超過1 0 0台主機。
與3 0個C類地址相比，用一個包含3 0個子網的B類地址的好處是，它可以縮小I n t e r n e t路由表的規模。B類地址1 4 0 . 2 5 2被劃分為若干子網的事實對於所有子網以外的I n t e r n e t路由器都是透明的。為了到達I P地址開始部分為1 4 0 . 2 5 2的主機，外部路由器只需要知道通往I P 地址1 4 0 . 2 5 2 . 1 0 4 . 1的路徑。這就是說，對於網路1 4 0 . 2 5 2隻需一個路由表目，而如果採用3 0個C類地址，則需要3 0個路由表目。因此，子網劃分縮減了路由表的規模（在1 0 . 8小節中，我們將介紹一種新技術，即使用C類地址也可以縮減路由表的規模）。
子網對於子網內部的路由器是不透明的。3 - 6所示，一份來自I n t e r n e t的資料報到達g a t e w a y，它的目的地址是1 4 0 . 2 5 2 . 5 7 . 1。路由器g a t e w a y需要知道子網號是5 7，然後把它送到k p n o。同樣，k p n o必須把資料報送到R 5 5，最後由R 5 5把它送到R 5 7。

圖3-6 網路noao.edu（140.252）中的大多數子網安排

 

 

IP路由選擇

從概念上說，IP路由選擇是簡單的，特別對於主機來說。如果目的主機與源主機直接相連（如點對點鏈路）或都在一個共用網路上（乙太網路或令牌環網），那麼IP資料報就直接送到目的主機上。否則，主機把資料報發往一預設的路由器上，由路由器來轉寄該資料報。大多數的主機都是採用這種簡單機制。
更一般的情況，即IP層既可以配置成路由器的功能，也可以配置成主機的功能。當今的大多數多使用者系統，包括幾乎所有的Unix系統，都可以配置成一個路由器。我們可以為它指定主機和路由器都可以使用的簡單路由演算法。本質上的區別在於主機從不把資料報從一個介面轉寄到另一個介面，而路由器則要轉寄資料報。內含路由器功能的主機應該從不轉寄資料報，除非它被設定成那樣。
在一般的體制中，IP可以從TCP、UDP、ICMP和IGMP接收資料報（即在本地產生的資料報）並進行發送，或者從一個網路介面接收資料報（待轉寄的資料報）並進行發送。IP層在記憶體中有一個路由表。當收到一份資料報並進行發送時，它都要對該表搜尋一次。當資料報來自某個網路介面時，IP首先檢查目的IP地址是否為原生IP地址之一或者IP廣播位址。如果確實是這樣，資料報就被送到由IP首部協議欄位所指定的協議模組進行處理。如果資料報的
目的不是這些地址，那麼（1）如果IP層被設定為路由器的功能，那麼就對資料報進行轉寄（也就是說，像下面對待發出的資料報一樣處理）；否則（2）資料報被丟棄。路由表中的每一項都包含下面這些資訊：
•目的IP地址。它既可以是一個完整的主機地址，也可以是一個網路地址，由該表目中的標誌欄位來指定（如下所述）。主機地址有一個非0的主機號，以指定某一特定的主機，而網路地址中的主機號為0，以指定網路中的所有主機（如乙太網路，令牌環網）。

•下一站（或下一跳）路由器（next-hoprouter）的IP地址，或者有直接連接的網路IP地址。下一站路由器是指一個在直接相連網路上的路由器，通過它可以轉寄資料報。下一站路由器不是最終的目的，但是它可以把傳送給它的資料報轉寄到最終目的。

•標誌。其中一個標誌指明目的IP地址是網路地址還是主機地址，另一個標誌指明下一站路由器是否為真正的下一站路由器，還是一個直接相連的介面

•為資料報的傳輸指定一個網路介面。

IP路由選擇是逐跳地（hop-by-hop）進行的。從這個路由表資訊可以看出，IP並不知道到達任何目的的完整路徑（當然，除了那些與主機直接相連的目的）。所有的IP路由選擇只為資料報傳輸提供下一站路由器的IP地址。它假定下一站路由器比發送資料報的主機更接近目的，而且下一站路由器與該主機是直接相連的。
IP路由選擇主要完成以下這些功能：
1)搜尋路由表，尋找能與目的IP地址完全符合的表目（網路號和主機號都要匹配）。如果找到，則把報文發送給該表目指定的下一站路由器或直接連接的網路介面（取決於標誌欄位的值）。
2)搜尋路由表，尋找能與目的網路號相匹配的表目。如果找到，則把報文發送給該表目指定的下一站路由器或直接連接的網路介面（取決於標誌欄位的值）。目的網路上的所有主機都可以通過這個表目來處置。例如，一個乙太網路上的所有主機都是通過這種表目進行尋徑的。這種搜尋網路的匹配方法必須考慮可能的子網路遮罩。關於這一點我們在下一節中進行討論。
3)搜尋路由表，尋找標為“預設（default）”的表目。如果找到，則把報文發送給該表目指定的下一站路由器。如果上面這些步驟都沒有成功，那麼該資料報就不能被傳送。如果不能傳送的資料報來自本機，那麼一般會向產生資料報的應用程式返回一個“主機不可達”或“網路不可達”的錯誤。
完整主機地址匹配在網路號匹配之前執行。只有當它們都失敗後才選擇預設路由。預設路由，以及下一站路由器發送的ICMP間接報文（如果我們為資料報選擇了錯誤的預設路由），是IP路由選擇機制中功能強大的特性。我們在第9章對它們進行討論。
為一個網路指定一個路由器，而不必為每個主機指定一個路由器，這是IP路由選擇機制的另一個基本特性。這樣做可以極大地縮小路由表的規模，比如Internet上的路由器有只有幾千個表目，而不會是超過100萬個表目。
舉例
首先考慮一個簡單的例子：我們的主機bsdi有一個IP資料報要發送給主機sun。雙方都在同一個乙太網路上（參見扉頁前圖）。資料報的傳輸過程3-3所示。
當IP從某個上層收到這份資料報後，它搜尋路由表，發現目的IP地址（140.252.13.33）在一個直接相連的網路上（乙太網路140.252.13.0）。於是，在表中找到匹配網路地址（我們將看到，由於乙太網路的子網路遮罩的存在，實際的網路地址是140.252.13.32，但是這並不影響這裡所討論的路由選擇）。
資料報被送到乙太網路驅動程式，然後作為一個乙太網路資料幀被送到sun主機上
IP資料報中的目的地址是sun的IP地址（140.252.13.33），而在鏈路層首部中的目的地址是48bit的sun主機的乙太網路介面地址。這個48bit的乙太網路地址是用ARP協議獲得的

圖3-3 資料報從主機bsdi到sun的傳送過程
現在來看另一個例子：主機b s d i有一份I P資料報要傳到f t p . u u . n e t主機上，它的I P地址是1 9 2 . 4 8 . 9 6 . 9。經過的前三個路由器3 - 4所示。首先，主機b s d i搜尋路由表，但是沒有找到與主機地址或網路地址相匹配的表目，因此只能用預設的表目，把資料報傳給下一站路由器，即主機s u n。當資料報從b s d i被傳到s u n主機上以後，目的I P地址是最終的信宿機地址（1 9 2 . 4 8 . 9 6 . 9），但是鏈路層地址卻是s u n主機的乙太網路介面地址。這與圖3 - 3不同，在那裡資料報中的目的I P地址和目的鏈路層地址都指的是相同的主機（s u n）。

圖3-4 從b s d i 到f t p . u u . n e t (192.48.96.9)的初始路徑
當s u n收到資料報後，它探索資料報的目的I P地址並不是原生任一地址，而s u n已被設定成具有路由器的功能，因此它把資料報進行轉寄。經過搜尋路由表，選用了預設表目。根據s u n的預設表目，它把資料報轉寄到下一站路由器n e t b，該路由器的地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1 8 3。資料報是經過點對點S L I P鏈路被傳送的，採用了圖2 - 2所示的最小封裝格式。這裡，我們沒有給出像乙太網路鏈路層資料幀那樣的首部，因為在S L I P鏈路中沒有那樣的首部。
當n e t b收到資料報後，它執行與s u n主機相同的步驟：資料報的目的地址不是本機地址，而n e t b也被設定成具有路由器的功能，於是它也對該資料報進行轉寄。採用的也是預設路由表目，把資料報送到下一站路由器g a t e w a y（1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 4）。位於乙太網路1 4 0 . 2 5 2 . 1上的主機n e t b用A R P獲得對應於1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 4的48 bit乙太網路地址。這個乙太網路地址就是鏈路層資料幀頭上的目的地址。
路由器g a t e w a y也執行與前面兩個路由器相同的步驟。它的預設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（我們將在圖8 - 4中證實，使用Tr a c e r o u t e 程式時，它就是g a t e w a y使用的下一站路由器）。
對於這個例子需要指出一些關鍵點： 1) 該例子中的所有主機和路由器都使用了預設路由。事實上，大多數主機和一些路由器可以用預設路由來處理任何目的，除非它在本地區域網路上。
2) 資料報中的目的I P地址始終不發生任何變化（在8 . 5節中，我們將看到，只有使用源路由選項時，目的I P地址才有可能被修改，但這種情況很少出現）。所有的路由選擇決策都是基於這個目的I P地址。
3) 每個鏈路層可能具有不同的資料幀首部，而且鏈路層的目的地址（如果有的話）始終指的是下一站的鏈路層地址。在例子中，兩個乙太網路封裝了含有下一站乙太網路地址的鏈路層首部，但是S L I P鏈路沒有這樣做。乙太網路地址一般通過A R P獲得。

IP首部拆解

IP資料報的格式3-1所示。普通的IP首部長為20個位元組，除非含有選項欄位。

圖3-1 IP資料報格式及首部中的各欄位

分析圖3-1中的首部。最高位在左邊，記為0bit；最低位在右邊，記為31bit。
4個位元組的32bit值以下面的次序傳輸：首先是0～7bit，其次8～15bit，然後16～23bit，最後是24~31bit。這種傳輸次序稱作bigendian位元組序。由於TCP/IP首部中所有的二進位整數在網路中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網路位元組序。以其他形式儲存二進位整數的機器，如littleendian格式，則必須在傳輸資料之前把首部轉換成網路位元組序。
目前的協議版本號碼是4，因此IP有時也稱作IPv4。3.10節將對一種新版的IP協議進行討論。
首部長度指的是首部佔32bit字的數目，包括任何選項。由於它是一個4位元欄位，因此首部最長為60個位元組。在第8章中，我們將看到這種限制使某些選項如路由記錄選項在當今已沒有什麼用處。普通IP資料報（沒有任何選擇項）欄位的值是5。
服務類型（TOS）欄位包括一個3bit的優先權子欄位（現在已被忽略），4bit的TOS子欄位和1bit未用位但必須置0。4bit的TOS分別代表：最小時延、最大輸送量、最高可靠性和最小費用。4bit中只能置其中1bit。如果所有4bit均為0，那麼就意味著是一般服務。RFC1340[ReynoldsandPostel1992]描述了所有的標準應用程式如何設定這些服務類型。RFC1349[Almquist1992]對該RFC進行了修正，更為詳細地描述了TOS的特性。
圖3-2列出了對不同應用建議的TOS值。在最後一列中給出的是十六進位值，因為這就是在後面將要看到的tcpdump命令輸出。

圖3-2 服務類型欄位推薦值

Te l n e t 和R l o g i n這兩個互動應用要求最小的傳輸時延，因為人們主要用它們來傳輸少量的互動資料。另一方面，F T P檔案傳輸則要求有最大的輸送量。最高可靠性被指明給網路管理（SN M P）和路由選擇協議。使用者網路新聞（Usenet news, NNTP）是唯一要求最小費用的應用。
現在大多數的T C P / I P實現都不支援TO S 特性，但是自4.3BSD Reno以後的新版系統都對它進行了設定。另外，新的路由協議如O S P F和I S - I S都能根據這些欄位的值進行路由決策。
在2 . 1 0節中，我們提到S L I P一般提供基於服務類型的排隊方法，允許對互動通訊資料在處理大塊資料之前進行處理。由於大多數的實現都不使用TO S 欄位，因此這種排隊機制由S L I P自己來判斷和處理，驅動程式先查看協議欄位（確定是否是一個T C P 段），然後檢查T C P信源和信宿的連接埠號碼，以判斷是否是一個互動服務。一個驅動程式的注釋這樣認為，這種“令人厭惡的處理方法”是必需的，因為大多數實現都不允許應用程式設定TOS欄位。
總長度欄位是指整個I P資料報的長度，以位元組為單位。利用首部長度欄位和總長度欄位，就可以知道I P資料報中資料內容的起始位置和長度。由於該欄位長1 6位元，所以I P資料報最長可達6 5 5 3 5位元組（回憶圖2 - 5，超級通道的M T U為6 5 5 3 5 。它的意思其實不是一個真正的M T U—它使用了最長的I P資料報）。當資料報被分區時，該欄位的值也隨著變化。
儘管可以傳送一個長達6 5 5 3 5位元組的I P資料報，但是大多數的鏈路層都會對它進行分區。而且，主機也要求不能接收超過5 7 6位元組的資料報。由於T C P把使用者資料分成若干片，因此一般來說這個限制不會影響T C P。在後面的章節中將遇到大量使用U D P的應用（R I P，T F T P， B O O T P，D N S，以及S N M P），它們都限制使用者資料報長度為5 1 2位元組，小於5 7 6位元組。但是，事實上現在大多數的實現（特別是那些支援網路檔案系統N F S的實現）允許超過8 1 9 2位元組的I P資料報。
總長度欄位是I P首部中必要的內容，因為一些資料鏈路（如乙太網路）需要填充一些資料以達到最小長度。儘管乙太網路的最小幀長為4 6位元組，但是I P資料可能會更短。如果沒有總長度欄位，那麼I P層就不知道4 6位元組中有多少是I P資料報的內容。
識別欄位唯一地標識主機發送的每一份資料報。通常每發送一份報文它的值就會加1
RFC791 [Postel 1981a]認為識別欄位應該由讓IP發送資料報的上層來選擇。假設有兩個連續的I P資料報，其中一個是由T C P產生的，而另一個是由U D P產生的，那麼它們可能具有相同的識別欄位。儘管這也可以照常工作（由重組演算法來處理），但是在大多數從伯克利派生出來的系統中，每發送一個I P資料報，I P層都要把一個核心變數的值加1，不管交給IP的資料來自哪一層。核心變數的初始值根據系統引導時的時間來設定。
T T L（t i m e - t o - l i v e）存留時間欄位設定了資料報可以經過的最多路由器數。它指定了資料報的存留時間。T T L的初始值由源主機設定（通常為3 2或6 4），一旦經過一個處理它的路由器，它的值就減去1。當該欄位的值為0時，資料報就被丟棄，並發送I C M P報文通知源主機。第8 章我們討論Tr a c e r o u t e 程式時將再回來討論該欄位。
首部檢驗和欄位是根據I P首部計算的檢驗和碼。它不對首部後面的資料進行計算。I C M P、I G M P、U D P和T C P在它們各自的首部中均含有同時覆蓋首部和資料檢驗和碼。
為了計算一份資料報的I P檢驗和，首先把檢驗和欄位置為0。然後，對首部中每個16 bit 進行二進位反碼求和（整個首部看成是由一串16 bit的字組成），結果存在檢驗和欄位中。當收到一份I P資料報後，同樣對首部中每個16 bit 進行二進位反碼的求和。由於接收方在計算過程中包含了發送方存在首部中的檢驗和，因此，如果首部在傳輸過程中沒有發生任何差錯，那麼接收方計算的結果應該為全1。如果結果不是全1（即檢驗和錯誤），那麼I P就丟棄收到的資料報。但是不產生差錯報文，由上層去發現丟失的資料報並進行重傳。
I C M P、I G M P、U D P和T C P都採用相同的檢驗和演算法，儘管T C P和U D P除了本身的首部和資料外，在I P首部中還包含不同的欄位。在RFC1071[Braden, Borman and Patridge 1988]中有關於如何計算I n t e r n e t檢驗和的實現技術。由於路由器經常只修改T TL欄位（減1），因此當路由器轉寄一份報文時可以增加它的檢驗和，而不需要對I P 整個首部進行重新計算。R F C 1141Mallory and Kullberg 1990]為此給出了一個很有效方法。
但是，標準的BSD實現在轉寄資料報時並不是採用這種增加的辦法。每一份I P資料報都包含源I P地址和目的I P地址。我們在1 . 4節中說過，它們都是32 bit 的值。最後一個欄位是任選項，是資料報中的一個可變長的可選資訊。目前，這些任選項定義如下：
安全和處理限制（用于軍事領域）

記錄路徑（讓每個路由器都記下它的I P地址，）

時間戳記（讓每個路由器都記下它的I P地址和時間，）

寬鬆的來源站點選路（為資料報指定一系列必須經過的I P地址，）

嚴格的來源站點選路（與寬鬆的來源站點選路類似，但是要求只能經過指定的這些地址，不能經過其他的地址）。這些選項很少被使用，並非所有的主機和路由器都支援這些選項。選項欄位一直都是以32 bit作為界限，在必要的時候插入值為0的填充位元組。這樣就保證I P首部始終是32 bit 的整數倍（這是首部長度欄位所要求的）。

IP標準化過程

究竟是誰控制著TCP/IP協議族，又是誰在定義新的標準以及其他類似的事情？事實上，有四個小組在負責Internet技術。
1)Internet協會（ISOC，InternetSociety）是一個推動、支援和促進Internet不斷增長和發展的專業組織，它把Internet作為全球研究通訊的基礎設施。
2)Internet體繫結構委員會（IAB，InternetArchitectureBoard）是一個技術監督和協調的機構。它由國際上來自不同專業的15個志願者組成，其職能是負責Internet標準的最後編輯和技術審核。IAB隸屬於ISOC。
3)Internet工程專門小組（IETF，InternetEngineeringTaskForce）是一個面向近期標準的組織，它分為9個領域（應用、尋徑和定址、安全等等）。IETF開發成為Internet標準的規範。為協助IETF主席，又成立了Internet工程指導小組（IESG,InternetEngineeringSteeringGroup）。
4)Internet研究專門小組（IRIF，InternetResearchTaskForce）主要對長遠的項目進行研究。IRTF和IETF都隸屬於IAB。文獻[Crocker1993]提供了關於Internet內部標準化進程更為詳細的資訊，同時還介紹了它的早期曆史。