引言
IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族中最核心的協(xié)議，所有的TCP，UDP、ICMP以及IGMP等協(xié)議都以IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式傳輸。IP協(xié)議提供最好的傳輸服務(wù)，其提供無(wú)連接、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸。或許這句話讀起來(lái)很矛盾，為什么說(shuō)是最好的傳輸服務(wù)，但同時(shí)又是不可靠的呢。
最好的傳輸可以認(rèn)為IP協(xié)議會(huì)盡一切能力到達(dá)目的主機(jī)，若中途發(fā)生錯(cuò)誤無(wú)法到達(dá)目的主機(jī)，也會(huì)返回一個(gè)ICMP錯(cuò)誤報(bào)文。收到IP協(xié)議返回的錯(cuò)誤報(bào)文后，本機(jī)就知道報(bào)文沒(méi)有成功到達(dá)目的主機(jī)。而接下來(lái)的傳輸可靠性，即重傳，則不屬于IP協(xié)議的范疇，而是通過(guò)TCP協(xié)議（或者自己實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用層協(xié)議）來(lái)保證。
不可靠是指即使傳輸過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，IP協(xié)議并不負(fù)責(zé)處理報(bào)文重傳的工作，而是交給上層協(xié)議。
無(wú)連接是指IP協(xié)議的首部中不保存維護(hù)任何關(guān)于后續(xù)數(shù)據(jù)報(bào)的相關(guān)狀態(tài)信息。
3.2.IP首部
IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式如圖3-1：
3-1
版本：IP協(xié)議的版本號(hào)，IPV4即為4
首部長(zhǎng)度：包含任意選項(xiàng)，以32位字為單位的長(zhǎng)度。由于是一個(gè)4比特字段，可知IP首部最長(zhǎng)為16*4字節(jié)，即64字節(jié)
服務(wù)類型：包括一個(gè)3 bit的優(yōu)先權(quán)子字段（現(xiàn)在已被忽略），4 bit的TOS子字段和1 bit未用位但必須置0。4 bit的TOS分別代表：最小時(shí)延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費(fèi)用。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均為0，那么就意味著是一般服務(wù)。
總長(zhǎng)度：代表IP數(shù)據(jù)包的總長(zhǎng)（包括其后承載的協(xié)議首部與用戶數(shù)據(jù)），由于其有16bit，單位為字節(jié)數(shù)，可知IP數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度為65536字節(jié)。不過(guò)盡管IP首部允許其傳輸如此大的字節(jié)數(shù)，以太網(wǎng)封裝的鏈路層也是不允許的，以太網(wǎng)封裝的鏈路層，最大允許承載的IP數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度為1500字節(jié)。并且主機(jī)也要求不能接收超過(guò)576字節(jié)的數(shù)據(jù)報(bào)。該限制不會(huì)影響到TCP協(xié)議，因?yàn)門CP協(xié)議會(huì)主動(dòng)將數(shù)據(jù)包分段傳輸。
標(biāo)識(shí)：唯一的標(biāo)識(shí)主機(jī)發(fā)送的每一份數(shù)據(jù)報(bào)，通常每發(fā)送一份數(shù)據(jù)報(bào)就會(huì)加1，在IP分片中起到順序重組的作用。
標(biāo)志：標(biāo)志該報(bào)文類型，在IP分片中代表該報(bào)文是否是分片報(bào)文
片偏移：分片報(bào)文中指明偏移量
生存時(shí)間TTL：設(shè)置數(shù)據(jù)報(bào)可以經(jīng)過(guò)的路由跳數(shù)，每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由則減1，減到0仍為到達(dá)目的主機(jī)則丟棄該報(bào)文。可解決黑洞路由，報(bào)文一直占用帶寬的問(wèn)題。TTL最大值為255.
協(xié)議：即指明IP首部后承載的協(xié)議類型，如ICMP/IGMP/TCP/UDP等，前文曾提到該字段。
首部檢驗(yàn)和：僅包括IP數(shù)據(jù)報(bào)首部的檢驗(yàn)和，檢驗(yàn)和的計(jì)算不包含其承載的IGMP/ICMP等協(xié)議的報(bào)文內(nèi)容。檢驗(yàn)和可以檢驗(yàn)IP數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過(guò)程中，首部是否出現(xiàn)的錯(cuò)誤。RFC 1071包含了如何計(jì)算檢驗(yàn)和的方法，感興趣可以了解。
源IP地址：即前文所述的32位互聯(lián)網(wǎng)地址，代表報(bào)文的始發(fā)主機(jī)。
目的ip地址：代表報(bào)文的目的主機(jī)。
選項(xiàng)：是一個(gè)任選項(xiàng)，可以用作以下領(lǐng)域，但很少被使用。
- 安全和處理限制（詳細(xì)內(nèi)容可參考RFC 1108）
- 記錄路徑（即報(bào)文傳輸過(guò)程中，讓經(jīng)過(guò)的路由器記錄其地址）
- 時(shí)間戳（即報(bào)文傳輸過(guò)程中，讓經(jīng)過(guò)的路由器記錄其時(shí)間與地址）
- 寬松的源站選路（為數(shù)據(jù)報(bào)選定一系列必須經(jīng)過(guò)的IP地址）
- 嚴(yán)格的源站選路（與寬松的源站選路類似，但是要求只能經(jīng)過(guò)指定的這些地址，不能經(jīng)過(guò)其他的地址）
很少被使用且并不是所有的主機(jī)與路由器都實(shí)現(xiàn)了這些選項(xiàng)。值得注意的是選項(xiàng)字段必須是32位的整數(shù)倍，因?yàn)槭撞块L(zhǎng)度是32bit的整數(shù)倍。若未達(dá)到32位的整數(shù)倍，可以用0填充。
3.3.IP路由選路
IP協(xié)議提供的最本質(zhì)的服務(wù)之一就是為報(bào)文提供選路功能。
IP層的路由功能存在兩種模式，一種是路由器模式，一種是主機(jī)模式。一般來(lái)說(shuō)，主機(jī)是不作為路由器模式使用。
路由器模式與主機(jī)模式的本質(zhì)區(qū)別在于系統(tǒng)是否轉(zhuǎn)發(fā)從網(wǎng)絡(luò)口接收進(jìn)來(lái)的報(bào)文。若配置為主機(jī)模式，則對(duì)目的ip非本機(jī)的報(bào)文，系統(tǒng)做丟棄處理，而路由器則會(huì)去查找路由表（提供選路信息的轉(zhuǎn)發(fā)表），若查找到則將該報(bào)文從對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)出去，轉(zhuǎn)發(fā)之前需要更改報(bào)文的源目mac地址，且TTL-1（如前文所述，為了防止黑洞路由占用帶寬），若TTL被減為0，則做丟棄處理不轉(zhuǎn)發(fā)。兩種模式對(duì)于目的ip屬于本機(jī)或者為廣播地址（廣播地址即前文所述的5類互聯(lián)網(wǎng)地址中主機(jī)號(hào)為全1的互聯(lián)網(wǎng)地址）的報(bào)文，數(shù)據(jù)報(bào)就被送到由I P首部協(xié)議字段所指定的協(xié)議模塊進(jìn)行處理。
包含選路信息的路由表中，一般都包含以下這些信息：
目的IP地址：可以是一個(gè)主機(jī)地址（即全掩碼的IP地址，主機(jī)號(hào)包含非0值，這種稱為主機(jī)路由），也可以是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（即非全掩碼的IP地址，主機(jī)號(hào)為全0，這種稱為網(wǎng)絡(luò)路由）
下一跳路由器的IP地址或直連IP的網(wǎng)絡(luò)地址：下一跳路由器的IP地址即報(bào)文需要轉(zhuǎn)發(fā)到的下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的IP地址（這個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口與當(dāng)前的路由器直連）；而直連IP的網(wǎng)絡(luò)地址會(huì)直接標(biāo)明該網(wǎng)段IP地址的路由出口，報(bào)文直接從該出口轉(zhuǎn)發(fā)（前提是該報(bào)文的目的IP必須存在，可通過(guò)ARP報(bào)文探測(cè)驗(yàn)證）。
標(biāo)志：指明路由的類型，例如路由是直連網(wǎng)絡(luò)地址還是真正的下一跳地址，路由時(shí)OSPF協(xié)議計(jì)算地址還是BGP協(xié)議學(xué)習(xí)地址等。
網(wǎng)絡(luò)接口：為數(shù)據(jù)報(bào)傳輸指定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。
IP路由選擇是逐跳地（hop-by-hop）進(jìn)行的。從這個(gè)路由表信息可以看出，IP并不知道到達(dá)任何目的的完整路徑（當(dāng)然，除了那些與主機(jī)直接相連的目的）。所有的I P路由選擇只為數(shù)據(jù)報(bào)傳輸提供下一站路由器的IP地址。它假定下一站路由器比發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)的主機(jī)更接近目的，而且下一站路由器與該主機(jī)是直接相連的。
IP路由選擇主要完成以下這些功能：
- 搜索路由表，尋找能與目的IP地址完全匹配的表目（網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)都要匹配）。如果找到，則把報(bào)文發(fā)送給該表目指定的下一站路由器或直接連接的網(wǎng)絡(luò)接口（取決于標(biāo)志字段的值）。
- 搜索路由表，尋找能與目的網(wǎng)絡(luò)號(hào)相匹配的表目。如果找到，則把報(bào)文發(fā)送給該表目指定的下一站路由器或直接連接的網(wǎng)絡(luò)接口（取決于標(biāo)志字段的值）。目的網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)都可以通過(guò)這個(gè)表目來(lái)處置。例如，一個(gè)以太網(wǎng)上的所有主機(jī)都是通過(guò)這種表目進(jìn)行尋徑的。這種搜索網(wǎng)絡(luò)的匹配方法必須考慮可能的子網(wǎng)掩碼。關(guān)于這一點(diǎn)我們?cè)谙乱还?jié)中進(jìn)行討論。
- 搜索路由表，尋找標(biāo)為“默認(rèn)（default）”的表目。如果找到，則把報(bào)文發(fā)送給該表目指定的下一站路由器。
如果上面這些步驟都沒(méi)有成功，那么該數(shù)據(jù)報(bào)就不能被傳送。如果不能傳送的數(shù)據(jù)報(bào)來(lái)自本機(jī)，那么一般會(huì)向生成數(shù)據(jù)報(bào)的應(yīng)用程序返回一個(gè)“主機(jī)不可達(dá)”或“網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)”（即IP協(xié)議附屬ICMP協(xié)議報(bào)文）的錯(cuò)誤。
圖3-2，是我在一個(gè)路由器查看路由表的結(jié)果：
3-2
S代表該路由時(shí)靜態(tài)配置，不是通過(guò)協(xié)議生成。重點(diǎn)關(guān)注標(biāo)注的三條路由，分別是主機(jī)路由、網(wǎng)絡(luò)路由和默認(rèn)路由。查表時(shí)，優(yōu)先查找主機(jī)路由表，若能匹配中，則報(bào)文直接按照查表結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)。若無(wú)法匹配中，則繼續(xù)查找網(wǎng)絡(luò)路由表，若匹配中網(wǎng)絡(luò)路由則按照查表結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)。若仍無(wú)法匹配中，查找是否存在默認(rèn)路由，存在的話匹配默認(rèn)路由轉(zhuǎn)發(fā)。若所有的都無(wú)法匹配中，那么丟棄該報(bào)文。
舉個(gè)例子，一個(gè)目的IP是200.1.1.2的報(bào)文進(jìn)來(lái)，那么直接命中主機(jī)路由表，報(bào)文直接按照查表結(jié)果，往下一跳網(wǎng)絡(luò)接口IP為192.168.3.1的路由器轉(zhuǎn)發(fā)。若進(jìn)來(lái)的報(bào)文目的IP為200.1.1.3，那么無(wú)法命中主機(jī)路由表，而命中了網(wǎng)絡(luò)路由表，那么就往下一跳網(wǎng)絡(luò)接口IP為192.168.4.1的路由器轉(zhuǎn)發(fā)。若進(jìn)來(lái)的報(bào)文目的IP為100.1.1.2，那么既不能命中主機(jī)路由表，也不能命中網(wǎng)絡(luò)路由表，只能命中默認(rèn)路由，那么就往下一跳網(wǎng)絡(luò)接口IP為101.0.0.1的路由器轉(zhuǎn)發(fā).
這里有人可能會(huì)疑問(wèn)，明顯主機(jī)路由能更精確匹配，直接全部使用主機(jī)路由就完事了，為什么還需要網(wǎng)絡(luò)路由的存在。這里主要考慮的是資源容量問(wèn)題，硬件資源是有限的，一個(gè)路由表不可能無(wú)限大，能讓你容納那么多的主機(jī)路由。因此，網(wǎng)絡(luò)路由是很有必要的，網(wǎng)絡(luò)路由的存在大大縮減了對(duì)路由表容量的要求。
值得注意的是，在這個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，報(bào)文中的目的IP地址始終都未修改（使用源路由選項(xiàng)時(shí)會(huì)修改，但這種情況很少出現(xiàn)），所有的路由決策都是通過(guò)這個(gè)目的IP來(lái)決策。
3.4.子網(wǎng)尋址與子網(wǎng)掩碼
現(xiàn)在所有的主機(jī)都要求支持子網(wǎng)尋址（RFC 950規(guī)定）。不再把一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)IP地址單純的認(rèn)作由網(wǎng)絡(luò)號(hào)與主機(jī)號(hào)組成，而是將主機(jī)號(hào)再次進(jìn)行劃分，主機(jī)號(hào)分為子網(wǎng)號(hào)和主機(jī)號(hào)兩部分。這么做的主要好處在于使得互聯(lián)網(wǎng)地址的使用更加靈活，因?yàn)橥粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)后是用不了這么多主機(jī)的，例如B類的互聯(lián)網(wǎng)地址，有16位的主機(jī)號(hào)，即可以包含2^16的主機(jī)數(shù)量，而往往這一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)下不會(huì)存在這么多主機(jī)，存在極大的浪費(fèi)。圖3-3展示了B類地址的一種子網(wǎng)編址方式。
3-3
這種對(duì)B類地址的子網(wǎng)劃分是比較典型的劃分方法，這種方式在利用點(diǎn)分十進(jìn)制的方式表示IP地址時(shí)，可以很容易的區(qū)分子網(wǎng)號(hào)和主機(jī)號(hào)。大部分對(duì)互聯(lián)網(wǎng)地址的劃分都是對(duì)B類互聯(lián)網(wǎng)地址的劃分，其實(shí)對(duì)C類地址也是可以劃分的，只是C類地址的主機(jī)號(hào)本身只有8位，可用來(lái)劃分的位數(shù)較少。不止C類地址，A類地址也是經(jīng)常會(huì)被劃分。
總結(jié)一句，這種劃分子網(wǎng)的方式非常靈活，不一定需要8位一個(gè)整體的劃分，可以通過(guò)子網(wǎng)掩碼來(lái)精確劃分到具體的位。例如一個(gè)A類地址表示成40.40.40.2/24，那么24就標(biāo)識(shí)前24位屬于網(wǎng)絡(luò)號(hào)+子網(wǎng)號(hào)，而我們知道A類地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)只有8位，可以知道該地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)為前8位，即40，而子網(wǎng)號(hào)有16位，即40.40，主機(jī)號(hào)為2。掩碼有一種經(jīng)常使用的表示方法，40.40.40.2/24這個(gè)也可以等價(jià)表示為40.40.40.2 255.255.255.0，其中255.255.255.0就是我們所說(shuō)的真正的子網(wǎng)掩碼。
3.5.ifconfig命令與netstat命令
既然我們已經(jīng)了解了所謂的IP地址與子網(wǎng)掩碼，那么在我們的主機(jī)上可以如何查看自己的網(wǎng)絡(luò)接口所屬的IP地址與相應(yīng)的子網(wǎng)掩碼呢。
在unix系統(tǒng)與類unix系統(tǒng)（linux）上可以使用ifconfig命令查看相應(yīng)的ip地址，圖3-4是我在一個(gè)linux系統(tǒng)上用命令查看的結(jié)果
3-4
可以看到存在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，分別分配有B類地址，C類地址與環(huán)回地址，其中netmask即子網(wǎng)掩碼，可以發(fā)現(xiàn)在這臺(tái)主機(jī)上，子網(wǎng)掩碼與互聯(lián)網(wǎng)地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)位數(shù)相同。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的MTU最大值為1500（前文鏈路層所述，以太網(wǎng)接口的IP數(shù)據(jù)報(bào)MTU范圍為46-1500），而環(huán)回接口的MTU為65536，是IP首部所能承載的最大數(shù)據(jù)報(bào)字節(jié)數(shù)。這是因?yàn)榄h(huán)回接口接收的包是由本機(jī)發(fā)出，不需經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸（前文TCP/IP簡(jiǎn)介所述，MTU的限制與傳輸時(shí)延相關(guān)），因此可以發(fā)最大的IP數(shù)據(jù)報(bào)。
除了ifconfig可以查詢本機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口的信息，也可以通過(guò)netstat -in來(lái)查看主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口與IP地址。
3.6.小結(jié)
本篇主要講述了
- IP首部的具體格式，并初步講述了各個(gè)字段的用途。
- IP的重要功能選路，講述了選路的原理，即根據(jù)報(bào)文的目的IP來(lái)查路由表，決策最終的報(bào)文出口。也大概講述了主機(jī)與路由器在處理報(bào)文時(shí)的差別。
- 介紹了子網(wǎng)以及子網(wǎng)掩碼的概念
- 講述了在系統(tǒng)上查閱主機(jī)網(wǎng)絡(luò)接口的兩條重要命令，ifconfig與netstat
