网际协议（IP)

协议介绍

IP （Internet Protocol）协议是TCP/IP最核心的协议，它承载着TCP,UPD,ICMP,IGMP等协议的数据传输功能，计算机网络路由机制的核心协议。

RFC 791定义IP首部格式如下图：

4位版本：值位4表示IPV4，现在还有IPV6。

4位首部长度：单位DWORD（4字节），最大首部长度为60（15*4）字节。

IP最小首部长度为20字节，因此IP首部选项最多40字节。

8位服务类型：不常用，参见RFC 1349对其对说明。

16位总长度：单位Byte（字节），包括IP首部长度和IP数据长度，最大长度65535。

16位标识：是每个IP数据包的唯一标识，对于需要分片的IP报文，每个分片的标识是一致的。

3位标记：第一位未使用。

第二位DF（不允许分片），路径MTU发现机制使用IP这一特性。

第三位MF （是否有更多分片），IP报文分片时，除最后一个分片不设置该标记，其他分片设置该标记为1。

13位偏移：是指当前分片在整个IP报文中的位置，比如0表示是第一个IP分片。

8位生存时间：每经过一个路由器减1，防止广播风暴，目前常用64。

8位协议：区分上层协议，比如ICMP，IGMP，TCP，UDP。

16位首部校验和：交换IP首部数据是否正确。

32位源IP地址：源端IP地址。

32位目的IP地址：目的端IP地址。

选项：不常用。可选择如下项。

安全和处理限制、记录路径、时间戳、宽松的源站路由、严格的源站路由。

IP地址为我们所熟知，通常使用点分十进制表示，譬如我的主机IP地址为（192.168.1.104），一个看似简单的数字却包含了不少学问。

1）IP地址可以按照网络类型进行划分，还可以在网络号上进行子网划分。

2）IP是路由的基础，路由机制又涉及更多机制，ARP, 路由表，ICMP重定向，动态选路等等。

3）有了IP协议和路由机制，可以让主机互相进行通讯，发展后来出现安全隐患，人们开始建立安全意识，就有了防火墙、NAT、DMZ等等安全措施，

这些衍生功能都建立在IP协议的基础之上。随着这些衍生功能又发展了更多的应用层协议DNS、DDNS、UPNP、DHCP等等。

可以说IP协议是网络的核心，本章只是初识IP协议，更多IP协议的详细分析会在后面的章节陆续进行阐述。

ICMP协议

协议介绍

ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制报文协议。基于IP协议，提供网络控制的服务，TCP、UDP等都会使用该协议控制报文进行对应处理。ICMP协议又服务于IP协议，比如网络重定向、需要进行分片导致传输失败、子网掩码获取等等。因此ICMP协议定位为网络层协议是比较合适的。经典的ping,traceroute命令就是基于ICMP协议进行开发的客户端。

RFC 792定义ICMP首部格式如下图：

8位类型：描述不同的ICMP控制。

8为代码：相同类型的ICMP分为不同的代号。

16为校验和：检测整个ICMP报文的数据一致性。

数据部分：根据不同类型，数据部分长度不同。

下图列举ICMP的类型和代码。

应用

ping

ping命令主要用途是用于测试目的主机是否可达到，ping的请求ICMP类型0，代码0，回应类型8，代码0。大多数情况下可以使用ping命令检测对方主机是否可达到，为什么说是大多数，出于安全性的目的，会禁止对ping的请求进行应答，防止主机IP地址暴露。

ping命令还可以用于测试达到对方主机的往返时间，用于验证网络情况好坏。

ping命令可以使用IP记录路径选项的功能，获得达到对方主机所经过路由器的IP地址。ping命令也可以使用IP时间戳选项的功能记录路径路由器的时间戳。

如果网络不可达到、主机不可达到、端口不可达到会使用ICMP协议返回一个差错报文，这个是上层协议经常使用到的ICMP报文。

traceroute

traceroute命令主要用途是跟踪达到目的主机经过的路由选择。实际上ping利用IP记录路径也可以实现相同工作，为什么traceroute还需要支持该功能？

原因在于IP记录路径有两点限制，一是有些路由器可以不实现该功能，二是记录IP路由地址存放在IP首部，IP首部只有40个字节可供使用，去掉4个字节的记录路径选项，最多可以记录9个IP地址。

traceroute跟踪达到目的主机的原理是这样的，通过设置IP头部的TTL字段，依次设置TTL值为1，2。。。，由于路由器检测到TTL值为1时就会产生一个ICMP报文，类型11，意为超时，如此就能够通过ICMP报文的源地址获得路由器的地址，因此可以依次获取到第一跳，第二跳。。。的路由地址，但是应该如果判断目的地址已经达到目的主机了呢？traceroute还需要发送一个UDP报文，端口是一个随机的较大值，假设目的主机没有利用该端口，会回复一个ICMP报文，类型3，代码3，意为端口不可达到。如此可以通过ICMP端口不可达到的报文获得对方的IP地址，如果IP地址和目的地址一致，则表示寻路结束。

traceroute命令还可以用于发现路径MTU,上一讲提到过路径MTU概念，路径MTU同样重要，如果中间路由器不主动进行IP分片，它可能影响到报文是否能够送达，就算中间路由器进行IP分片，不影响包的达到，那还是会影响到传输效率。

traceroute发现路径MTU的原理是这样的，通过设置IP头部标记DF(不允许分片），发送源端MTU大小的报文，如果中间路由有MTU小于该值，并且判断出DF标记，会向源主机发送一条ICMP报文，类型3，代码4，意为不分片无法通过。并且有些路由器会返回它的MTU值，如此源端获得这条iCMP报文后会使用返回的MTU大小进行再次尝试，直到不再产生由于不分片无法通过的ICMP报文。

广播与多播

有时我们需要向同一网络的所有主机发送报文，这就是广播，上一讲的ARP,RARP的请求就是广播。但是也有这样的需求，向网络的一部分主机发送报文，就不适合使用广播，因为使用广播的话，那些并不关心该广播报文的主机却要处理报文，实在是浪费，因此可以使用多播。

广播

广播主要分为下面四种IP地址类型，我们依次进行介绍。

1）受限的广播

受限的广播地址为255.255.255.255。该地址用于主机启动过程，此时主机还不知道自己的IP和网络掩码。理论上路由器收到该类型的广播后，不在进行广播，使它只出现本地网络内。

2）指向网络的广播

指向网络的广播地址主机号全为1。比如A类网络的广播是 *.255.255.255。C类网络则是*.*.*.255。

3）指向子网的广播

假设B类网络是128.1.0.0，划分一个子网为128.1.1.0，子网掩码就是255.255.255.0。如此改子网的广播地址就是128.1.1.255。

4）指向所有子网的广播

还是上面的那个例子，如果划分了子网128.1.1.0，子网掩码是255.255.255.255,那么指向子网的广播地址，子网号和主机号全为1，因此128.1.255.255就是所有子网的广播地址。

例子：

我的主机号192.168.1.104，网络号192.168.1.0，网络掩码是255.255.255.0。是一个局域网，没有划分子网，因此可以使用192.168.1.255进行局域网内广播。

ping 192.168.1.255
PING 192.168.1.255 (192.168.1.255): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.1.104: icmp_seq=0 ttl=64 time=0.061 ms
64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=0 ttl=64 time=27.772 ms
64 bytes from 192.168.1.100: icmp_seq=0 ttl=64 time=263.093 ms
64 bytes from 192.168.1.104: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.167 ms
64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=4.617 ms
64 bytes from 192.168.1.100: icmp_seq=2 ttl=64 time=97.854 ms
^C
--- 192.168.1.255 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 packets received, +4duplicates, 0.0% packet loss

发现除了自己有回复外，路由器1.1，另一台主机1.100都对其进行回复。

应用案例：

我们公司有一个实际使用广播的案例，我们公司的产品型号有很多种，提供客户一全套的解决方案，假设产品都在同一个局域网内，如何获取到局域网内我公司的产品和产品类型呢？这就是一个比较适合使用广播的应用场景，开发了一个XXXSearch的客户端，向局域网内发送广播报文，有对应报文格式，公司的每种产品都必须接收广播报文并且进行处理，返回自己的型号等等信息。

多播

IP地址分为（A,B,C,D,E)五类，多播属于D类IP地址。D类地址的划分是最高字节的前4个bit是1110，多播组ID为28位，如下图。

根据D类IP地址规则，多播组的地址范围是224.0.0.0 - 239.255.255.255。

一些多播组地址被IANA确定为知名地址，被当做永久主机组。例如224.0.0.1代表“该子网内的所有系统组”，224.0.0.2代表“该子网内的所有路由器”，224.0.1.1用于网络时间协议NTP。

多播理论上可以划分2的28次方个多播组，每个多播组可以让主机自由的加入和退出，这就涉及到后续的IGMP协议。

多播实际上是对广播的一种补充，形成一个主机组，如果主机组内的主机相互通信就可以使用多播进行，而不至于影响其他不在多播组内的其他主机的性能。多播还可以在使两个不同网络的主机加入到一个多播组，实现不同网络上主机的交互。

应用案例：

我们公司一个实际的多播多播案例，在同一个局域网内，有N个视频源（实时视频流），有M个客户端（用户），当有M个客户端同时播放同一个视频源时，最差的实现方式是发出M路视频流，其次的方案是可以利用服务器，负载均衡的分发出视频源，更好的方案可以利用客户端P2P互相传输（互联网时经常使用），我们提供一套方案就是将M个客户端和这个视频源加入一个多播组，然后由视频源发送多播报文，M个用户能够同时收到该视频源的实时流（局域网内很有效），可以很好的减少局域网内的网络流量。

IGMP协议

协议介绍

IGMP (Internet Group Management Protocol) Internet组管理协议，基于IP协议，用于管理主机的多播组。

RFC 1112定义IGMP协议首部格式如下图：

4位版本：目前该值为1。

4位类型： 1为查询报文，2为报告报文。

16校验和：校验IGMP数据一致性。

32组地址：多播组地址。

主机如何加入和退出多播组：

1）当第一个进程加入组时，主机就发送一个IGMP报告。如果有多个进程加入同一个组，只需发送一次即可，路由器只关心是否有主机加入了多播组。

2）进程离开时无需发送任何报文，如果所有进程都离开，那么路由器发送组查询报文时，不对其进行报告即可。

3）多播路由器定时发送IGMP查询来了解是否还有主机还属于多播组。多播路由器必须对每个接口都进行查询，查询报文的组地址被设置为0，表示查询主机所有的多播组。

4）主机通过发送报告相应多播路由器的查询请求，对至少有一个进程加入的多播组均要报告。

多播路由对每个接口保存一直记录表，记录是否还存在一个主机属于该多播组，如果存在，收到多播报文时就通过该接口转发多播报文，以到达向另一个网络传输的功能。

其工作原理如下图：

小结

本章主要介绍了IP协议，重点介绍ICMP协议及其应用，广播和多播简单的入门概念讲解，IGMP作为多播协议的基础进行介绍。实际上可以大致的看出网络层协议主要负责工作和其分工，为日后使用上层协议打好基础。IP协议作为核心协议，主要分析IP协议的首部字段，IP主要工作，并没有深入的对其进行讲解，后续会陆续的进行各个击破，如果没有站在一个更高的抽象层面去看待网络协议，就无法领略网络协议的全貌。所以我计划几个章节对网络协议进行一个概况，不一定面面俱到，希望可以将描绘整张蓝图。

参考

《TCP/IP详解-协议》卷一 W.Richard Stevens

修订

初稿 2014-10-25 Simon

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网际协议（IP)

协议介绍

ICMP协议

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应用

ping

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广播与多播

广播

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IGMP协议

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