[转]IP协议一

一、IPv4数据报格式

版本:

占 4 位,指 IP 协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)

首部长度:

占4位,可表示的最大数值是15个单位(一个单位为 4 字节)因此IP 的首部长度的最大值是 60 字节

区分服务:

占8位,用来获得更好的服务,在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直未被使用过.1998 年这个字段改名为区分服务.只有在使用区分服务(DiffServ)时,这个字段才起作用.一般的情况下都不使用这个字段

总长度:

占16位,指首部和数据之和的长度,单位为字节,因此数据报的最大长度为 65535 字节.总长度必须不超过最大传送单元 MTU

标识:

占16位,它是一个计数器,用来产生数据报的标识

标志(flag):

占3位,目前只有前两位有意义

• MF

  • 标志字段的最低位是 MF (More Fragment)
  • MF=1 表示后面“还有分片”。MF=0 表示最后一个分片

• DF

  • 标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment)
  • 只有当 DF=0 时才允许分片

片偏移:

占12位,指较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置.片偏移以 8 个字节为偏移单位

生存时间:

占8位,记为TTL (Time To Live) 数据报在网络中可通过的路由器数的最大值,TTL 字段是由发送端初始设置一个 8 bit字段.推荐的初始值由分配数字 RFC 指定,当前值为 64.发送 ICMP 回显应答时经常把 TTL 设为最大值 255

协议:

占8位,指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个处理过程, 1表示为 ICMP 协议, 2表示为 IGMP 协议, 6表示为 TCP 协议, 17表示为 UDP 协议

首部检验和:

占16位,只检验数据报的首部不检验数据部分.这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法

源地址和目的地址:

都各占 4 字节,分别记录源地址和目的地址

    

1.IP分片

数据链路层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。但是分片报文只有到了最终目的地才会被重组。重新组装由目的地的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对运输层（比如TCP）是透明的。

IP头部包含一个由数据报原始发送者设置的标识字段，它在由该发送者发送的IP数据报中是唯一的。该值在数据报分片时被复制到每个片中。标志字段用其中一个比特来表示“更多的片”。除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把该比特置1。片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。

标志字段中有一个比特称作“不分片”位。如果将这一比特置1，IP将不对数据报进行分片，在这种情况下，如果路由器判断需要分片就把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报文（“需要进行分片但设置了不分片比特”）给数据报的源主机。
当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。
但是IP分片存在一个严重的缺陷：即使只丢失一片数据也要重传整个数据报。

在IPv6中，分片功能被限制在源主机进行，这是因为分片增加了网络核心（即路由器）的工作量，使得它不得不为所有报文进行分片处理的判断，网络核心应该更专注于它选路和转发的功能，而不是被额外的处理所打断。

二、IPv6数据报格式

• 版本。长度为4位，对于IPv6，该字段必须为6。
• 类别。长度为8位，指明为该包提供了某种“区分服务”。该字段的定义独立于IPv6，目前尚未在任何RFC中定义。该字段的默认值是全0。
• 流标签。长度为20位，用于标识属于同一业务流的包。一个节点可以同时作为多个业务流的发送源。流标签和源节点地址唯一标识了一个业务流。
• 净荷长度。长度为16位，其中包括包净荷的字节长度，即IPv6头后的包中包含的字节数。这意味着在计算净荷长度时包含了IPv6扩展头的长度。
• 下一个头。这个字段指出了IPv6头后所跟的头字段中的协议类型。与IPv6协议字段类似，下一个头字段可以用来指出高层是TCP还是UDP，但它也可以用来指明IPv6扩展头的存在。
• 跳极限。长度为8位。每当一个节点对包进行一次转发之后，这个字段就会被减1。如果该字段达到0，这个包就将被丢弃。
• 源地址。长度为128位，指出了IPv6包的发送方地址。
• 目的地址。长度为128位，指出了IPv6包的接收方地址。这个地址可以是一个单播、多播或任意点播地址。如果使用了选路扩展头(其中定义了一个包必须经过的特殊路由)，其目的地址可以是其中某一个中间节点的地址而不必是最终地址。

1.IPv4与IPv6头部的对比

 

黄色区域 (同名区域)

我们看到，三个黄色区域跨越了IPv4和IPv6。Version(4位)用来表明IP协议版本，是IPv4还是IPv6(IPv4, Version=0100; IPv6, Version=0110)。Source Adrresss和Destination Address分别为发出地和目的地的IP地址。

蓝色区域 （名字发生变动的区域）

Time to Live 存活时间(Hop Limit in IPv6)。Time to Live最初是表示一个IP包的最大存活时间：如果IP包在传输过程中超过Time to Live，那么IP包就作废。后来，IPv4的这个区域记录一个整数(比如30)，表示在IP包接力过程中最多经过30个路由接力，如果超过30个路由接力，那么这个IP包就作废。IP包每经过一个路由器，路由器就给Time to Live减一。当一个路由器发现Time to Live为0时，就不再发送该IP包。IPv6中的Hop Limit区域记录的也是最大路由接力数，与IPv4的功能相同。Time to Live/Hop Limit避免了IP包在互联网中无限接力。

Type of Service 服务类型(Traffic Class in IPv6)。Type of Service最初是用来给IP包分优先级，比如语音通话需要实时性，所以它的IP包应该比Web服务的IP包有更高的优先级。然而，这个最初不错的想法没有被微软采纳。在Windows下生成的IP包都是相同的最高优先级，所以在当时造成Linux和Windows混合网络中，Linux的IP传输会慢于Windows (仅仅是因为Linux更加守规矩！)。后来，Type of Service被实际分为两部分：Differentiated Service Field (DS, 前6位)和Explicit Congestion Notification (ECN, 后2位)，前者依然用来区分服务类型，而后者用于表明IP包途径路由的交通状况。IPv6的Traffic Class也被如此分成两部分。通过IP包提供不同服务的想法，并针对服务进行不同的优化的想法已经产生很久了，但具体做法并没有形成公认的协议。比如ECN区域，它用来表示IP包经过路径的交通状况。如果接收者收到的ECN区域显示路径上的很拥挤，那么接收者应该作出调整。但在实际上，许多接收者都会忽视ECN所包含的信息。交通状况的控制往往由更高层的比如TCP协议实现。

Protocol 协议(Next Header in IPv6)。Protocol用来说明IP包Payload部分所遵循的协议，也就是IP包之上的协议是什么。它说明了IP包封装的是一个怎样的高层协议包(TCP? UDP?)。

Total Length, 以及IPv6中Payload Length的讨论要和IHL区域放在一起，我们即将讨论。

红色区域 (IPv6中删除的区域)

我们看一下IPv4和IPv6的长度信息。IPv4头部的长度。在头部的最后，是options。每个options有32位，是选填性质的区域。一个IPv4头部可以完全没有options区域。不考虑options的话，整个IPv4头部有20 bytes(上面每行为4 bytes)。但由于有options的存在，整个头部的总长度是变动的。我们用IHL(Internet Header Length)来记录头部的总长度，用Total Length记录整个IP包的长度。IPv6没有options，它的头部是固定的长度40 bytes，所以IPv6中并不需要IHL区域。Payload Length用来表示IPv6的数据部分的长度。整个IP包为40 bytes + Payload Length。

IPv4中还有一个Header Checksum区域。这个checksum用于校验IP包的头部信息。Checksum与之前在小喇叭中提到的CRC算法并不相同。IPv6则没有checksum区域。IPv6包的校验依赖高层的协议来完成，这样的好处是免去了执行checksum校验所需要的时间，减小了网络延迟 (latency)。

Identification, flags和fragment offset，这三个包都是为碎片化(fragmentation)服务的。碎片化是指一个路由器将接收到的IP包分拆成多个IP包传送，而接收这些“碎片”的路由器或者主机需要将“碎片”重新组合(reassembly)成一个IP包。不同的局域网所支持的最大传输单元(MTU, Maximum Transportation Unit)不同。如果一个IP包的大小超过了局域网支持的MTU，就需要在进入该局域网时碎片化传输(就好像方面面面饼太大了，必须掰碎才能放进碗里)。碎片化会给路由器和网络带来很大的负担。最好在IP包发出之前探测整个路径上的最小MTU，IP包的大小不超过该最小MTU，就可以避免碎片化。IPv6在设计上避免碎片化。每一个IPv6局域网的MTU都必须大于等于1280 bytes。IPv6的默认发送IP包大小为1280 bytes。

绿色区域 (IPv6新增区域)

Flow Label是IPv6中新增的区域。它被用来提醒路由器来重复使用之前的接力路径。这样IP包可以自动保持出发时的顺序。这对于流媒体之类的应用有帮助。Flow label的进一步使用还在开发中。

 

三，6loWPAN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

网际控制报文协议 ICMP

目的:

为了提高 IP 数据报交付成功的机会

注意:

• 允许主机和路由器报告差错情况和提供有关异常情况的报告
• ICMP不是高层协议,而是IP层的协议
• ICMP报文作为IP层数据报的数据,加上数据报的首部,组成 IP 数据报发送出去
• ICMP报文的前4个字节是统一的格式,共有三个字段：即类型,代码和检验和.接着的4个字节的内容与ICMP的类型有关

种类:

• ICMP 差错报告报文:
  • 终点不可达
  • 源点抑制(Source quench)
  • 时间超过
  • 参数问题
  • 改变路由（重定向）(Redirect)
• ICMP 询问报文:
  • 回送请求和回答报文
  • 时间戳请求和回答报文

报文格式:

ICMP地址掩码请求和应答报文

ICMP时间戳请求和应答报文

ICMP不可达报文

ICMP回显请求和回显应答报文格式

ICMP超时报文

ICMP重定向报文

ICMP路由器请求报文格式

ICMP路由器通告报文格式

ICMP 源站抑制差错报文格式

 ICMP 类型:

 

不应发送ICMP差错报告报文的情况:

• 对第一个分片的数据报片的所有后续数据报片都不发送ICMP 差错报告报文
• 多播地址的数据报都不发送ICMP差错报告报文
• 特殊地址(如127.0.0.0 或 0.0.0.0)的数据报不发送 ICMP差错报告报文

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网际组管理协议IGMP

报文格式:

作用:

它是TCP/IP 协议族中负责IP 组播成员管理的协议,用来在IP 主机和与其直接相邻的组播路由器之间建立、维护组播组成员关系

功能:

当一台主机加入到一个新的组时,它发送一个IGMP消息到组地址以宣告它的成员身份,多播路由器和交换机就可以从中学习到组的成员.利用从IGMP中获取到的信息,路由器和交换机在每个接口上维护一个多播组成员的列表

两个阶段:

• 加入:
  • 当主机加入新的多播组时,向多播组的多播地址发送IGMP 报文,声明自己要成为该组的成员.本地的多播路由器收到 IGMP 报文后,将组成员关系转发给因特网上的其他多播路由器
• 询问:
  • 周期性地探询本地局域网上的主机,以便知道这些主机是否还继续是组的成员
• 注意:
  • 因为组成员关系是动态的，因此本地多播路由器要只要对某个组有一个主机响应，那么多播路由器就认为这个组是活跃的
  • 但一个组在经过几次的探询后仍然没有一个主机响应，则不再将该组的成员关系转发给其他的多播路由器

数据包:

IGMP 使用 IP 数据报传递其报文（即 IGMP 报文加上 IP 首部构成 IP 数据报），但它也向 IP 提供服务

具体措施:

• 在主机和多播路由器之间的所有通信都是使用 IP 多播
• 多播路由器在探询组成员关系时，只需要对所有的组发送一个请求信息的询问报文，而不需要对每一个组发送一个询问报文。默认的询问速率是每 125 秒发送一次
• 当同一个网络上连接有几个多播路由器时，它们能够迅速和有效地选择其中的一个来探询主机的成员关系
• 在 IGMP 的询问报文中有一个数值 N，它指明一个最长响应时间（默认值为 10秒）。当收到询问时，主机在 0 到 N 之间随机选择发送响应所需经过的时延。对应于最小时延的响应最先发送
• 同一个组内的每一个主机都要监听响应，只要有本组的其他主机先发送了响应，自己就可以不再发送响应了