TCP/IP 详解(卷一) 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。IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务。 不可靠(unreliable)的意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。IP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,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。任何要求的可靠性必须由上层来提供(如TCP)。 无连接(connectionless)这个术语的意思是IP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,IP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。

IP首部

普通的IP首部长为20个字节,除非含有选项字段。

4个字节的32 bit值以下面的次序传输:首先是0~7bit,其次8~15 bit,然后16~23 bit,最后是24~31 bit。这种传输次序称作big endian字节序。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序,因此它又称作网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器,如little endian格式,则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。

目前的协议版本号是4,因此IP有时也称作IPv4。

首部长度指的是首部占32 bit字的数目,包括任何选项。由于它是一个4比特字段,因此首部最长为60个字节。

服务类型(TOS)字段包括一个3bit的优先权子字段(现在已被忽略),4bit的TOS子字段和1bit未用位但必须置0。4bit的TO S分别代表:最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4bit中只能置其中1bit。如果所有4bit均为0,那么就意味着是一般服务。 对不同应用建议的TOS值:

总长度字段是指整个IP数据报的长度,以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段,就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16比特,所以IP数据报最长可达65535字节(回忆图2-5,超级通道的MTU为65535。它的意思其实不是一个真正的MTU—它使用了最长的IP数据报)。当数据报被分片时,该字段的值也随着变化。

标识字段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它的值就会加1。

TTL(time-to-live)生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间。TTL的初始值由源主机设置(通常为32或64),一旦经过一个处理它的路由器,它的值就减去1。当该字段的值为0时,数据报就被丢弃,并发送ICMP报文通知源主机。

协议字段被IP用来对数据报进行分用。根据它可以识别是哪个协议向IP传送数据。

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。ICMP、IGMP、UDP和TCP在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。

为了计算一份数据报的IP检验和,首先把检验和字段置为0。然后,对首部中每个16 bit进行二进制反码求和(整个首部看成是由一串16 bit的字组成),结果存在检验和字段中。当收到一份IP数据报后,同样对首部中每个16 bit进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和,因此,如果首部在传输过程中没有发生任何差错,那么接收方计算的结果应该为全1。如果结果不是全1(即检验和错误),那么IP就丢弃收到的数据报。但是不生成差错报文,由上层去发现丢失的数据报并进行重传。

ICMP、IGMP、UDP和TCP都采用相同的检验和算法,尽管TCP和UDP除了本身的首部和数据外,在IP首部中还包含不同的字段。由于路由器经常只修改TTL字段(减1),因此当路由器转发一份报文时可以增加它的检验和,而不需要对IP整个首部进行重新计算。

每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址。它们都是32 bit的值。

最后一个字段是任选项,是数据报中的一个可变长的可选信息。目前,这些任选项定义如下:

  • 安全和处理限制(用于军事领域,详细内容参见RFC 1108[Kent 1991])
  • 记录路径(让每个路由器都记下它的IP地址,见7.3节)
  • 时间戳(让每个路由器都记下它的IP地址和时间,见7.4节)
  • 宽松的源站选路(为数据报指定一系列必须经过的IP地址,见8.5节)
  • 严格的源站选路(与宽松的源站选路类似,但是要求只能经过指定的这些地址,不能经过其他的地址)。

这些选项很少被使用,并非所有的主机和路由器都支持这些选项。

选项字段一直都是以32 bit作为界限,在必要的时候插入值为0的填充字节。这样就保证IP首部始终是32 bit的整数倍(这是首部长度字段所要求的)。

IP 路由选择

路由表中的每一项都包含下面这些信息:

  • 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IP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。
  • 为数据报的传输指定一个网络接口。

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IP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(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。默认路由,以及下一站路由器发送的ICMP间接报文(如果我们为数据报选择了错误的默认路由),是IP路由选择机制中功能强大的特性。

子网寻址

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。 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$2^{16}-2$。

子网掩码

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。

特殊情况的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和hostid分别表示不为全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。

表的头两项是特殊的源地址,中间项是特殊的环回地址,最后四项是广播地址。

表中的头两项,网络号为0,如主机使用BOOTP协议确定本机IP地址时只能作为初始化过程中的源地址出现。

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