TCP/IP學習筆記之三 — IP: 網際協議

 
IP是TCP/IP協議族中最為核心的協議。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP資料都以IP資料報格式傳輸。其是一種不可靠、不需連線的資料報傳送服務。

不可靠（unreliable）的意思是它不能保證IP資料報能成功地到達目的地。IP僅提供最好的傳輸服務。

無串連（connectionless）這個術語的意思是IP並不維護任何關於後續資料報的狀態資訊。每個資料報的處理是相互獨立的。

1、IP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。

目前的協議版本號碼是4，因此IP有時也稱作IPv4。

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。

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。現在大多數的TCP/IP實現都不支援TOS特性，但是自4.3BSDReno以後的新版系統都對它進行了設定。

總長度欄位是指整個IP資料報的長度，以位元組為單位。總長度欄位是IP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。

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。

TTL（time-to-live）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。TTL的初始值由源主機設定（通常為32或64），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ICMP報文通知源主機。

協議欄位被IP用來對資料報進行分用，可以識別哪個協議向IP傳送資料。

為了計算一份資料報的IP檢驗和，首先把檢驗和欄位置為0。然後，對首部中每個16bit進行二進位反碼求和（整個首部看成是由一串16bit的字組成），結果存在檢驗和欄位中。當收到一份IP資料報後，同樣對首部中每個16bit進行二進位反碼的求和。ICMP、IGMP、UDP和TCP都採用相同的檢驗和演算法。

每一份IP資料報都包含源IP地址和目的IP地址。

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。

2、IP路由選擇
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。
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。

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。

3、子網定址
現在所有的主機都要求支援子網編址。不是把IP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。
原因：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2^24-2和2^16-2。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，因此總數減去2。

4、子網路遮罩
除了IP地址以外，主機還需要知道有多少位元用於子網號及多少位元用於主機號。這是在引導過程中通過子網路遮罩來確定的。這個掩碼是一個32bit的值，其中值為1的位元留給網路號和子網號，為0的位元留給主機號。

給定IP地址和子網路遮罩以後，主機就可以確定IP資料報的目的是：(1)本子網上的主機；(2)本網路中其他子網中的主機；(3)其他網路上的主機。