TCP/IP 协议笔记三

一、IP协议

　　I P是T C P / I P协议族中最为核心的协议。所有的 T C P、U D P、I C M P及I G M P数据都以I P数据报格式传输

　　不可靠（u n r e l i a b l e）的意思是它不能保证 I P数据报能成功地到达目的地。 I P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， I P有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 I C M P消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如T C P）。

　　无连接（c o n n e c t i o n l e s s）这个术语的意思是 I P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， I P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。

分析图3 - 1中的首部。最高位在左边，记为 0 bit；最低位在右边，记为31 bit。 4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是 0～7 bit，其次8～15 bit，然后1 6～23 bit，最后是24~31 bit。这种传输次序称作big endian字节序。由于T C P / I P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I P有时也称作I P v 4。3 . 1 0节将对一种新版的I P协议进行讨论。

　　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6 0个字节。在第8章中，我们将看到这种限制使某些选项如路由记录选项在当今已没有什么用处。普通I P数据报（没有任何选择项）字段的值是 5。服务类型（TO S）字段包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略），4 bit的TO S子字段和1 bit未用位但必须置0。4 bit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。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均为0，那么就意味着是一般服务。 RFC1340[Reynolds and Postel 1992] 描述了所有的标准应用如何设置这些服务类型。 RFC 1349[Almquist 1992]对该R F C进行了修正，更为详细地描述了 TO S的特性。图3 - 2列出了对不同应用建议的 TO S值。在最后一列中给出的是十六进制值，因为这就是在后面将要看到的t c p d u m p命令输出。

 Te l n e t和R l o g i n这两个交互应用要求最小的传输时延，因为人们主要用它们来传输少量的交互数据。另一方面， F T P文件传输则要求有最大的吞吐量。最高可靠性被指明给网络管理（S N M P）和路由选择协议。用户网络新闻（ Usenet news, NNTP）是唯一要求最小费用的应用。

现在大多数的T C P / I P实现都不支持TO S特性，但是自4.3BSD Reno以后的新版系统都对它进行了设置。另外，新的路由协议如 O S P F和I S - I S都能根据这些字段的值进行路由决策。

　　总长度字段是指整个 I P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 I P数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长 1 6比特，所以 I P数据报最长可达 6 5 5 3 5字节（回忆图 2 - 5，超级通道的 M T U为6 5 5 3 5。它的意思其实不是一个真正的M T U—它使用了最长的I P数据报）。当数据报被分片时，该字段的值也随着变化。

　　尽管可以传送一个长达 6 5 5 3 5字节的I P数据报，但是大多数的链路层都会对它进行分片。而且，主机也要求不能接收超过 5 7 6字节的数据报。由于 T C P把用户数据分成若干片，因此一般来说这个限制不会影响 T C P。在后面的章节中将遇到大量使用 U D P的应用（ R I P，T F T P，B O O T P，D N S，以及S N M P），它们都限制用户数据报长度为 5 1 2字节，小于5 7 6字节。但是，事实上现在大多数的实现（特别是那些支持网络文件系统 N F S的实现）允许超过 8 1 9 2字节的I P数据报。

　　总长度字段是 I P首部中必要的内容，因为一些数据链路（如以太网）需要填充一些数据以达到最小长度。尽管以太网的最小帧长为 4 6字节（见图 2 - 1），但是I P数据可能会更短。如果没有总长度字段，那么I P层就不知道4 6字节中有多少是I P数据报的内容。

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。

　　T T L（t i m e - t o - l i v e）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。T T L的初始值由源主机设置（通常为 3 2或6 4），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 I C M P报文通知源主机。

　　首部检验和字段是根据I P首部计算的检验和码。它不对首部后面的数据进行计算。 I C M P、I G M P、U D P和T C P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 I P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I P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I P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。I C M P、I G M P、U D P和T C P都采用相同的检验和算法。