IP协议详解【IP报文头部结构、IP分片、IP路由、IP转发】

IP协议：全称：Internet Protocol（网际互连协议）

IP协议的特点：

IP头部结构：

IP分片：

IP路由：

IP转发：

IP协议：全称：Internet Protocol（网际互连协议）

IP协议的特点：

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通信不同步传输数据，发送、传输和接收都是相互独立、没有上下文的。接收方只要收到了完整的IP数据包，就要交付上层协议，所以这些数据包可能是无序的、重复的。IP数据包虽然也有唯一标识，但是不是用来指示接收顺序的，而是用来处理IP分片和重组的。这种无状态的优点是：简单，高效。无需为保持通信状态而分配内核资源，传输数据也无需携带状态信息。
无连接是指IP通信不维持对方的信息。但在每次发送数据时，必须明确对方的IP地址。
不可靠是指IP协议不能保证数据包准确到达。发送失败的原因很多，比如：某个中转路由器发现IP数据包的存活时间太长（TTL），就丢弃此数据包，并返回一个ICMP超时错误给发送端；再比如接收端通过校验机制发现数据包不正确，就丢弃，并返回一个ICMP错误信息给发送端。发送端IP模块检测到IP数据包发送失败，就通知上层协议发送失败，而不会试图重传。所以传输层协议需要自己实现数据确认、超时重传等机制，已达到可靠传输的目的。

IP头部结构：

4位版本号指定IP协议的版本，有IPv4，SIP，PIP。
4位头部长度是指该IP头部有多少个4字节，因为4位能表示的最大数是15，所以IP头部最长60字节。
8位服务类型，说明了IP数据包的服务需求，包括：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。比如ssh和telent这样的登录程序需要的是最小延时服务，文件传输ftp需要最大吞吐量服务。
16为总长度指IP总长度。 MTU（帧的最大传输单元）绝对了1500字节内。
16位标识能唯一标识主机发送的每一个数据报，初值随机，每发送一个，其值就加一，用于分片和重组。同一个数据报的所有分片具有相同的标识值。
3位标志字段，第一位保留，第二位可以设置禁止分片DF，第三位标识数据报的更多分片MF。
13位分片偏移是指相对于原数据报的偏移。
8位生存时间TTL是数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。
8位协议用来区分上层协议： 1是ICMP 6是TCP 17是UDP
16位头部校验和由发送端填充，接收端用来检查头部是否损坏。
32位源端IP地址和目的端IP地址，传输过程中保持不变。
选项字段：记录路由（记录途径的路由器）、时间戳（测量途径路由器之前数据报传输的时间）松散源路由选择和严格源路由选择（必须经过这些和仅能通过这些）

IP分片：

分片可能发生在发送端，也可能发生在中转路由器，但是只有在目标机器上才会重组。
一个数据报的每个分片都具有自己的头部信息，其中有相同的标识，不同的片偏移。
帧的最大传输单元是1500字节，IP头部20字节，所以数据部分最多1480字节。

如下一个1501字节的IP数据报的分片示意图：

IP路由：

IP的路由是指决定发送数据报到目标机器的路径。

IP模块的工作流程：

从右往左看，收到来自数据链路层的IP数据报时，先检验，在查看是发送本机的，还是需要转发的。IP输出队列中等待发送的数据报除了转发的，还有本机上层协议（ICMP、TCP、UDP）的IP数据报。

路由表：
路由表按照数据报的目标IP地址分类，同一类型的IP数据报将被发送相同的下一跳路由器。

IP路由机制：
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，就是用该路由项，没找到转步骤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（比如局域网），如果找到，就使用该路由项，否则转步骤3.
3.选择默认路由项，这通常意味着数据报的下一跳路由是网关。

路由表的更新：
静态更新：通过route命令修改路由表。
动态更新：使用OSPF（开放最短路径优先）等协议来自动更新路由表。ICMP重定向报文更新路由表。

IP转发：

1.检查数据头部的TTL值。如果TTL值已经是0，则丢弃该数据报。
2.检查数据报头部的严格路由选择选项。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，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值减一
5.处理IP头部选项
6.如果有必要，则执行IP分片操作。