3. IP：网际协议

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。

I P提供不可靠、无连接的数据报传送服务。
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。

3.1 IP首部
普通的I P首部长为2 0个字节，除非含有选项字段。

3.2 IP路由选择
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。
I P层在内存中有一个路由表。当收到一份数据报并进行发送时，它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时，I P首先检查目的I P地址是否为本机的I P地址之一或者I P广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到由 I P首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是些地址，那么（ 1）如果I P层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发
（也就是说，像下面对待发出的数据报一样处理）；否则（ 2）数据报被丢弃。

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（见图1 - 5），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（我们将在 9 . 2节中
详细介绍这些标志）。
• 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。从这个路由表信息可以看出， 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。关于这一点我们在下一节中进行
讨论。
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。

3.3 子网寻址
现在所有的主机都要求支持子网编址（ RFC 950 [Mogul and Postel 1985]）。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2^24 - 2 和 2^16 - 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。

3.4 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。
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。

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