【TCP/IP 四 IP 网际协议】
TCP/IP 四 IP 网际协议
- IP 网际协议
- 1. IP数据报结构
- 2. IP路由选择
- 3. 子网寻址
- 3.1 子网掩码
- 4. 特殊的IP地址
IP 网际协议
IP是TCP / IP协议族中最为核心的协议.所有的TCP、 UDP、 ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输(见图 1 - 4)
- 不可靠
- 不能保证IP数据报能成功地到达目的地
- IP仅仅提供最好的传输服务
- IP有一个简单的错误处理算法:丢弃该数据报,然后发送ICMP消息报给信源端
- 无连接
- IP并不维护后续数据报的状态信息
- 每个数据报的处理是相互独立的
- 一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报(A,B) 每个数据报都是独立的进行路由选择,可能选择不同的路线,因此B有可能在A之前到达
1. IP数据报结构
IP首部数据报结构
- 普通的IP首部长为20个字节,除非含有选项字段.
- 版本 (4bit)
- 目前版本号为4 故IP又被称作IPv4
- 首部长度(4bit)
- 首部占32bit字的数目,包括任何选项 最长为60字节
- TOS 服务类型 (8bit)
- 优先权子字段(3bit)
- 被忽略
- 最小时延(1bit)
- 最大吞吐量(1bit)
- 最高可靠性(1bit)
- 最小费用(1bit)
- 这四位只能同时只能置其一位 如果4位均为0 则意味是一般服务
- 查阅TOS推荐值表
- 未用位(1bit)
- 必须置位0
- 优先权子字段(3bit)
- 总长度(16bit)
- IP数据报的长度 以字节为单位 所以IP数据报最长可达65535字节
- 标识(16bit)
- 唯一地标识主机发送的每一份数据报
- 通常每发送一份报文 值加1
- 标志(3bit)
- 分片与重组使用
- 片偏移(13bit)
- 分片与重组使用
- TTL 生存时间(8bit)
- 设置数据报可以经过最多路由器数
- 指定了数据报的生存时间
- 初始值由源主机设置(一般为32/64)
- 每经过一个路由器 值减1
- 数据为0 数据报被丢弃 并发送ICMP报文给源主机
- 协议(8bit)
- IP对数据报进行分用
- 1表示为ICMP协议,
- 2表示为IGMP协议,
- 6表示为TCP协议,
- 17表示为UDP协议.
- 首部校验和(16bit)
- 首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码.
- 它不对首部后面的数据进行计算.
- 源IP地址(32bit)
- 目的地IP地址(32bit)
- 选项[如果有]
- 安全和处理限制
- 记录路径
- 时间戳
- 宽松的源站选路
- 严格的源站选路
- 选项字段一直都是以32bit作为界限,必要时候插入值0的填充
- 保证IP首部始终是32bit的整数倍
- 并非所有的主机和路由器都支持这些选项
- 版本 (4bit)
协议分类:
#define IPPROTO_IP 0 /* dummy for IP */#define IPPROTO_ICMP 1 /* control message protocol */#define IPPROTO_IGMP 2 /* internet group management protocol */#define IPPROTO_GGP 3 /* gateway^2 (deprecated) */#define IPPROTO_TCP 6 /* tcp */#define IPPROTO_PUP 12 /* pup */#define IPPROTO_UDP 17 /* user datagram protocol */#define IPPROTO_IDP 22 /* xns idp */#define IPPROTO_ND 77 /* UNOFFICIAL net disk proto */#define IPPROTO_RAW 255 /* raw IP packet */#define IPPROTO_MAX 256
2. IP路由选择
IP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,IP首先检查目的IP地址是否为本机的 IP地址之一或者IP广播地址.
如果确实是这样,数据报就被送到由 IP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这些地址,
那么
- (1)如果 IP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,像对待发出的数据报一样处理);
- (2)数据报被丢弃.
路由表中每一项都包含下面的这些信息:
- 目的IP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IP地址,或者有直接连接的网络IP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,还是一个直接连的接口.
- 为数据报的传输指定一个网络接口
IP路由选择是逐跳地(hop - by - hop)进行的.从这个路由表信息可以看出, IP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地).
所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的IP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.
IP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(default)”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.
IP 路由选择特性:
- 默认路由,以及下一站路由器发送的ICMP间接报文.
- 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.
- 数据报中的目的IP地址始终不发生任何变化
- 除开使用源路由选项时,目的IP地址才有可能被修改.
- 所有的路由选择决策都是基于这个目的IP地址
- 每个链路层可能具有不同的数据帧首部
- 链路层的目的地址(如果有)始终指向的是下一站的链路层地址
- SLIP链路并没有这样做,以太网地址一般通过ARP获得
3. 子网寻址
现在所有的主机都要求支持子网编址.不是把IP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.
在InterNIC获得某类IP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.
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.
子网对于子网内部的路由器是不透明的
子网的作用是可以缩小Internet路由表的规模
例如(B类网络地址):
- B类网络地址(140.252),在剩下的16bit中, 8bit用于子网号, 8bit用于主机号.
3.1 子网掩码
除了IP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32bit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.
B类地址的两种不同的子网掩码格式:
给定IP地址和子网掩码以后,主机就可以确定IP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IP地址,那么就知道它是否为A类、 B类或C类地址(从IP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
假设我们的主机地址是140.252.1.1(一个B类地址),而子网掩码为255.255.255.0(其中8bit为子网号,8bit为主机号).
- 如果目的IP地址是140.252.4.5,那么我们就知道B类网络号是相同的(140.252),但是子网号是不同的(1和4).
- 如果目的IP地址是140.252.1.22,那么B类网络号还是一样的(140.252),而且子网号也是一样的(1),但是主机号是不同的.
- 如果目的IP地址是192.43.235.6(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.
4. 特殊的IP地址
- 0表示所有的比特位全为0;
- -1表示所有的比特位全为1;
- netid/subnetid/hostid: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.
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