TCP/IP详解读书笔记：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和IGMP都以IP数据报格式传输。

IP是不可靠的，因为它不能保证IP数据报能成功到达目的地。如果发生了错误，IP有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报。任何要求的可靠性必须由上层来提供，比如TCP，这其实也是一个优点，因为IP提供了发送数据报的基本功能，这样UDP和TCP都可以使用它。

IP也是无连接的，这意味着IP并不维护关于后续数据报的状态信息。因此每个IP数据报的处理都是独立的，比如不按发送顺序接收，因为每个数据报都独立地进行路由选择。

 

IP首部

首先要提的是传输的次序是大端字节序。TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输都要求这种次序，因此又称为网络字节序。如果机器存储二进制整数用的小端法，那抱歉了，请转换成大端法再发送。

4位版本号：目前的版本号还是4，也就是IPv4。

首部长度：首部占32bit的数目。因为是4bit的字段，因此最多是15个32bit的长度，32*15=480 bit，也就是说，首部最长是60字节。一般长度是20字节，也就是说这个首部长度为5。

8位服务类型：这个老实说我看着还比较模糊，先放着，后续明白了补足。

16位总长度：整个IP数据报的长度。结合首部长度，可以判断数据的起始位置和长度。由于占16位，所以最长长度为65535字节，但链路层的MTU一般没那么大，所以数据报经常需要分片，数据报被分片时该值会受到影响。有时数据链路层需要填充一些数据达到最小长度，没有总长度就不知道真实数据。

16位标识：唯一地标识主机发送的每一份数据报，发送一份报文值就加1。标识字段和片偏移字段在讲述分片时会再分析。

TTL：生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。初始值由源主机发送，每经过一个路由器减一，为0时该数据报便会被丢弃，并发送ICMP给源主机。

8位协议：用于识别哪个协议向IP传送数据。

首部检验和：根据IP首部计算的检验和。简单地说就是对首部中每16bit进行二进制反码求和，结果存在该字段中。

选项字段很少使用，如果使用，一个选项占32bit，不足的用0填充。选项定义举例为安全和限制处理。

 

IP路由选择

简单地说，如果目的主机与源主机直接相连（点对点链路）或在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么IP数据报直接发送到目的主机。否则就发送到默认的路由器上。

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地址是否是本地地址或IP广播地址，如果是，数据报发送到相应的协议模块处理；如果不是，如果IP层被设置成路由器功能，那么对数据报进行转发，否则就丢弃。

路由表内容：暂缺。

IP路由选择的过程：

1）在路由表中寻找能与目的IP地址完全匹配的表目（网络号+主机号）。如果匹配，发送到该条目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口。

2）在路由表中寻找能与目的网络号匹配的表目。如果匹配，发送到该条目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口。目标网络上的所有主机都可以通过这个表目来处理。

3）在路由表中寻找默认表目，找到就发送给该表目指定的下一站路由器。

上面的步骤如果都失败了，那么生成数据报的程序返回一个“主机不可达”或“网络不可达”的错误。

如果我们仔细品味第二步骤，可以发现为一个网络只需要执行一个路由器。这可以极大地缩小路由表的规模。

上图中，主机bsdi向主机sun发送一个IP数据报。搜索路由表，发现在一个直接相连的网络上（140.252.13.0），也就是匹配了网络地址，可以直接发送。

 

上图中，主机bsdi有一份IP数据报要发送到ftp.uu.net主机上，IP见上图。这里在搜索路由表时，均找不到匹配主机地址或网络地址的表目，所以数据报都发送给了默认的下一站路由，这里分别是sun，netb和gateway。

这里需要注意的是，数据报中的目的IP地址始终没有改变，但每个链路层可能有不同的链路首部，而且链路层的目的地址始终指的是下一站的链路层地址。比如bsdi发送到sun的链路层地址和netb发送到gateway的链路层地址不同，但是目的IP地址不变。

 

子网寻址