IP协议详解

• IP服务的特点
• IPv4头部结构
• IP分片
• IP路由
• • IP模块工作流程
  • 路由机制
• IP转发
• 重定向

IP协议是TCP/IP协议族的核心协议，也是socket网络编程的基础之一。 下面主要从两个方面较为深入地讨论IP协议：

• IP头部信息。IP 头部信息出现在每个IP数据报中，用于指定IP通信的源端IP地址、目的端IP地址，指导IP分片和重组，以及指定部分通信行为。
• IP数据报的路由和转发。IP数据报的路由和转发发生在除目标机器之外的所有主机和路由器上.它们决定数据报是否应该转发以及如何转发。

由于32位表示的IP地址即将全部使用完，因此人们开发出了新版本的IP协议，称为IPv6协议，而原来的版本则称为IPv4协议。我们主要基于IPv4协议进行讨论。

IP服务的特点

IP协议是TCP/IP协议族的动力，它为上层协议提供无状态、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IP数据报的发送、传输和接收都是相互独立、没有上下文关系的。这种服务最大的缺点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IP数据报可能比第N+1个IP数据报后到达接收端，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。在这两种情况下，接收端的IP模块无法检测到乱序和重复，因为这些IP数据报之间没有任何上下文关系。接收端的IP模块只要收到了完整的IP数据报(如果是IP分片的话，IP模块将先执行重组)，就将其数据部分(TCP 报文段、UDP数据报或者ICMP报文)，上交给上层协议。那么从上层协议来看，这些数据就可能是乱序的、重复的。面向连接的协议，比如TCP协议，则能够自己处理乱序的、重复的报文段，它递交给上层协议的内容绝对是有序的、正确的。
虽然IP数据报头部提供了一个标识字段用以唯一标识一个IP数据报，但它是被用来处理IP分片和重组的，而不是用来指示接收顺序的。
无状态服务的优点也很明显：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，也无须每次传输数据时都携带状态信息。在网络协议中，无状态是很常见的，比如UDP协议和HTTP协议都是无状态协议。以HTTP协议为例，一个浏览器的连续两次网页请求之间没有任何关联，它们将被Web服务器独立地处理。

无连接 是指IP通信双方都不长久地维持对方的任何信息。这样，上层协议每次发送数据的时候，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IP数据报准确地到达接收端，它只是承诺尽最大努力。很多种情况都能导致IP数据报发送失败。比如，某个中转路由器发现IP数据报在网络上存活的时间太长(根据IP数据报头部字段TTl判断，见后文)，那么它将丢弃，并返回一个ICMP错误消息(超时错误)给发送端。又比如，接收端发现收到的IP数据报不正确(通过校验机制)，它也将丢弃之，并返回一个ICMP错误消息(IP 头部参数错误)给发送端。无论哪种情况，发送端的IP模块一旦检测到IP数据报发送失败，就通知上层协议发送失败，而不会试图重传。因此，使用IP服务的上层协议(比如TCP协议)需要自己实现数据确认、超时重传等机制以达到可靠传输的目的。

IPv4头部结构

IPv4的头部结构如下图所示，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 指定IP协议的版本。对IPv4来说，其值是4。其他IPv4协议的扩展版本(如SIP协议和PIP协议)，则具有不同的版本号(它们的头部结构也和图2-1不同)。
4位头部长度标识该IP头部有多少个32 bit字(4字节)。因为4位最大能表示15，所以IP头部最长是60字节。
8位服务类型(TOS)包括一个3位的优先权字段(现在已经被忽略)，4位的TOS字段和1位保留字段(必须置0)。4位的TOS字段分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。其中最多有一个能置为1，应用程序应该根据实际需要来设置它。比如像ssh和telnet这样的登录程序需要的是最小延时的服务，而文件传输程序ftp则需要最大吞吐量的服务。
16位总长度是指整个IP数据报的长度，以字节为单位，因此IP数据报的最大长度为65535 (2^16 - 1) 字节。但由于MTU的限制，长度超过MTU的数据报都将被分片传输，所以实际传输的IP数据报(或分片)的长度都远远没有达到最大值。接下来的3个字段则描述了如何实现分片。
16位标识唯一地标识主机发送的每一个数据报。其初始值由系统随机生成；每发送一个数据报，其值就加1。该值在数据报分片时被复制到每个分片中，因此同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。
3位标志字段的第一位保留。 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。
13位分片偏移是分片相对原始IP数据报开始处(仅指数据部分)的偏移。实际的偏移值是该值左移3位(乘8)后得到的。由于这个原因，除了最后一个IP分片外，每个IP分片的数据部分的长度必须是8的整数倍(这样才能保证后面的IP分片拥有一个合适的偏移值)。
8位生存时间(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人路由循环。
8位协议用来区分上层协议，其中，ICMP 是1, TCP是6，UDP是17。
16位头部校验和由发送端填充，接收端对其使用CRC算法以检验IP数据报头部(注意，仅检验头部)在传输过程中是否损坏。
32位的源端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。
IPv4最后一个选项字段是可变长的可选信息。这部分最多包含40字节，因为IP头部最长是60字节(其中还包含前面讨论的20字节的固定部分)。可用的IP选项包括：

• 记录路由，告诉数据报途经的所有路由器都将自己的IP地址填人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，告诉每个路由器都将数据报被转发的时间(或时间与IP地址对)填人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，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，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。
  关于IP头部选项字段更详细的信息，请参考IP协议的标准文档RFC 791。不过这些选项字段很少被使用，使用松散源路由选择和严格源路由选择选项的例子大概仅有traceroute程序。此外，作为记录路由IP选项的替代品，traceroute 程序使用UDP报文和ICMP报文实现了更可靠的记录路由功能。

IP分片

前面曾提到，当IP数据报的长度超过帧的MTU时，它将被分片传输。分片可能发生在发送端，也可能发生在中转路由器上，而且可能在传输过程中被多次分片，但只有在最终的目标机器上，这些分片才会被内核中的IP模块重新组装。
IP头部中的如下三个字段给IP的分片和重组提供了足够的信息：数据报标识、标志和片偏移。一个IP数据报的每个分片都具有自己的IP头部，它们具有相同的标识值，但具有不同的片偏移。并且除了最后一个分片外，其他分片都将设置MF标志。此外，每个分片的IP头部的总长度字段将被设置为该分片的长度。
以太网帧的MTU是1500字节(可以通过ifconfig命令或者netstat命令查看)，因此它携带的IP数据报的数据部分最多是1480字节(IP 头部占用20字节)。考虑用IP数据报封装一个长度为1481字节的ICMP报文(包括8字节的ICMP头部，所以其数据部分长度为1473字节)，则该数据报在使用以太网帧传输时必须被分片，如下图2-2所示。
下图2-2中，长度为1501字节的IP数据报被拆分成两个IP分片，第一个IP分片长度为1500字节，第二个IP分片的长度为21字节。每个IP分片都包含自己的IP头部(20字节)，且第一个IP分片的IP头部设置了MF标志，而第二个IP分片的IP头部则没有设置该标志，因为它已经是最后一个分片了。原始IP数据报中的ICMP头部内容被完整地复制到了第一个IP分片中。第二个IP分片不包含ICMP头部信息，因为IP模块重组该ICMP报文的时候只需要一份ICMP头部信息，重复传送这个信息没有任何益处。1473 字节的ICMP报文数据的前1472字节被IP模块复制到第一个 IP分片中，使其总长度为1500字节，从而满足MTU的要求；而多出的最后1字节则被复制到第二个IP分片中。

IP路由

IP协议的一个核心任务是数据报的路由，即决定发送数据报到目标机器的路径。为了了解IP路由过程，先简要分析IP模块的基本工作流程。

IP模块工作流程

从右往左来分析图2-3。当IP模块接收到来自数据链路层的IP数据报时，它首先对该数据报的头部做CRC校验，确认无误之后就分析其头部的具体信息。
如果该IP数据报的头部设置了源站选路选项( 松散源路由选择或严格源路由选择)，则IP模块调用数据报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，或者是广播地址，即该数据报是发送给本机的，则IP模块就根据数据报头部中的协议字段来决定将它派发给哪个上层应用(分用)。如果IP模块发现这个数据报不是发送给本机的，则也调用数据报转发子模块来处理该数据报。
数据报转发子模块将首先检测系统是否允许转发，如果不允许, IP模块就将数据报丢弃。如果允许，数据报转发子模块将对该数据报执行一些操作，然后将它交给IP数据报输出子模块。我们将在后面讨论数据报转发的具体过程。
IP数据报应该发送至哪个下一跳路由(或者目标机器)，以及经过哪个网卡来发送，就是IP路由过程，即图2-3中“计算下一跳路由”子模块。IP 模块实现数据报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数据报将被发往相同的下一跳路由器(或者目标机器)。我们将在后面讨论IP路由过程。
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。
图2-3中的虚线箭头显示了路由表更新的过程。这一过程是指通过路由协议或者route命令调整路由表，使之更适应最新的网络拓扑结构，称为IP路由策略。我们将在后面简单讨论。

路由机制

要研究IP路由机制，需要先了解路由表的内容。我们可以使用route命令或netstat命令查看路由表。在博主机器上执行route 命令，输出内容如代码清单如下：

其中的标志，常见有如下五种：

• U，该路由项是活动的
• H，该路由项的目标是一台主机
• G，该路由项的目标是网关
• D，该路由项是由重定向生成的
• M，该路由项被重定向修改过

代码清单中，第一项的目标地址是default，即所谓的默认路由项。该项包含一个G标志，说明路由的下一跳目标是网关。其他两项网关地址为0，说明数据不需要路由中转，可以直接发送到目标机器。

IP的路由机制分为3个步骤：

1. 查找路由表中和数据报的目标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报的目标IP地址具有相同网路ID的网络IP地址(比如代码清单所示的路由表中的第二项)。如果找到，就使用该路由项；没找到则转步骤3。
3. 现在默认路由项，这通常意味着数据报的吓一跳路由是网关。

IP转发

前面提到，不是发送给本机的IP数据报将由数据报转发子模块来处理。路由器都能执行数据报的转发操作，而主机一般只发送和接收数据报。这是因为Linux下主机上/proc/sys/net/ipv4/ip_forward内核参数默认被设置为0。我们可以通过修改它来使能主机的数据报转发功能。

对于允许IP数据报转发的系统(主机或路由器)，数据报转发子模块将对期望转发的数据报执行如下操作：

1. 检查数据报头部的TTL值。如果TTL值已经是0,则丢弃该数据报。
2. 查看数据报头部的严格源路由选择选项。如果该选项被设置，则检测数据报的目标IP地址是否是本机的某个IP地址。如果不是，则发送一个ICMP源站选路失败报文给发送端。
3. 如果有必要，则给源端发送一个ICMP重定向报文，以告诉它一个更合理的下一跳路由器。
4. 将TTL值减1。
5. 处理IP头部选项。
6. 如果有必要，则执行IP分片操作。

重定向

上图2-3中，ICMP重定向报文也能用于更新路由表，ICMP重定向报文如下图：
ICMP重定向报文的类型值是5，代码字段有4个可选值，用来区分不同的重定向类型。下面仅讨论主机重定向，其代码值为1。
ICMP重定向报文的数据部分含义很明确，它给接收方提供了如下两个信息：

• 引起重定向的IP数据报(即图2-4中的原始IP数据报)的源端IP地址。
• 应该使用的路由器的IP地址。

接收主机根据这两个信息就可以断定引起重定向的IP数据报应该使用哪个路由器来转发，并且以此来更新路由表(通常是更新路由表缓冲，而不是直接更改路由表)。

标签：协议,IP,详解,头部,分片,ICMP,数据,路由
来源： https://blog.csdn.net/weixin_43973403/article/details/122762943