TCP/IP 详解卷一学习笔记(二):网络层 IP
目录:
IP 网际协议
IP 路由选择
ICMP 差错报文
子网掩码
1. 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,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 首部格式
一般IP首部长度为 20 字节,除非含有选项字段。
大端字节序:在网络传输中,低字节先传输,高字节后传输。也称为网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器,如小端系统,则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。
- 版本:IP 协议目前版本号是4。
- 首部长度:指的是首部占 32 bit 4字节)的数目,包括选项字段。由于它是一个4比特字段,因此首部最长为60个字节。普通IP数据报(没有任何选项)字段的值是5(20字节)。
- 服务类型(TOS)参数:最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用等。
- 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。当数据报被分片时,该字段的值也随着变化。
总长度字段是IP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46字节,但是IP数据可能会更短。如果没有总长度字段,那么IP层就不知道46字节中有多少是IP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。
- 片偏移字段:分片时每个分组数据在源数据报中的偏移量。标志字段和片偏移字段主要用于分片和重载。
- 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。
- 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。
校验和计算
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,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。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。
2. IP 路由选择
对于主机来说,如果目的主机与源主机直接相连(如点对点链路)或都在一个共享网络上(以太网或令牌环网),那么IP数据报就直接送到目的主机上。否则,主机把数据报发往一默认的路由器上,由路由器来转发该数据报。大多数的主机都是采用这种简单机制。
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地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。如果确实是这样,数据报就被送到由IP首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是这些地址,那么(1)如果IP层被设置为路由器的功能,那么就对数据报进行转发;否则(2)数据报被丢弃。
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。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)。
- 下一站路由器的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搜索路由表的几个步骤:
- 1) 搜索匹配的主机地址: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;
- 2) 搜索匹配的网络地址: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;
- 3) 搜索默认表项(默认表项一般在路由表中被指定为一个网络表项,其网络号为0)。
匹配主机地址步骤始终发生在匹配网络地址步骤之前。
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;
- 如果是被转发的数据报,那么就给原始发送端发送一份ICMP主机不可达的差错报文。
IP路由选择是逐跳地(hop-by-hop)进行的。IP并不知道到达任何目的的完整路径(除了那些与主机直接相连的目的)。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的,而且下一站路由器与该主机是直接相连的。所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的IP地址。
为一个网络指定一个路由器,而不必为每个主机指定一个路由器,这是IP路由选择机制的另一个基本特性。这样做可以极大地缩小路由表的规模。
简单路由表
对于一个给定的路由器,可以打印出五种不同的标志(flag):
- U 该路由可以使用。
- G 该路由是到一个网关(路由器)。如果没有设置该标志,说明目的地是直接相连的。
- H 该路由是到一个主机,也就是说,目的地址是一个完整的主机地址。如果没有设置该标志,说明该路由是到一个网络,而目的地址是一个网络地址:一个网络号,或者网络号与子网号的组合。
- D 该路由是由重定向报文创建的。
- M 该路由已被重定向报文修改。
G 区分了分组是发往间接路由还是直接路由。对于直接路由来说是不设置标志G的。其区别在于,发往直接路由的分组中链路层地址指向的是目的端;而发往间接路由的分组指向的是网关(即下一站路由器)。
H 区分了目的地址是一个完整的主机地址还是一个网络地址(主机号为0)。
3.ICMP 报文
ICMP报文通常被IP层或更高层协议(TCP或UDP)使用,一般用来传递差错报文以及其他需要注意的信息。ICMP报文是在IP数据报内部被传输的。
当发送一份ICMP差错报文时,报文始终包含IP的首部和产生ICMP差错报文的IP数据报的前8个字节。接收 ICMP差错报文的模块就会把它与某个特定的协议和用户进程联系起来。
常见的差错报文类型:
最后两列表明ICMP报文是一份查询报文还是一份差错报文。因为对ICMP差错报文有时需要作特殊处理,在对ICMP差错报文进行响应时,永远不会生成另一份ICMP差错报文(否则可能会遇到一个差错产生另一个差错的情况,而差错再产生差错,这样会无休止地循环下去)。
不会导致产生ICMP差错报文的情况:
- 1) ICMP差错报文。
- 2) 目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报。
- 3) 作为链路层广播的数据报。
- 4) 不是IP分片的第一片。
- 5) 源地址不是单个主机的数据报。
这些规则是为了防止过去允许 ICMP差错报文对广播分组响应所带来的广播风暴。
4.子网寻址
现在所有的主机都要求支持子网编址。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,事实上,在一个网络中并不安排这么多的主机。
例如,这里有一个 B类网络地址(140.252),在剩下的16 bit中, 8 bit用于子网号, 8 bit用于主机号,这样就允许有254个子网,每个子网可以有 254台主机。
与30个C类地址相比,用一个包含30个子网的B类地址的好处是,它可以缩小Internet路由表的规模。B类地址140.252被划分为若干子网的事实对于所有子网以外的Internet路由器都是透明的。对于网络140.252只需一个路由表目,而如果采用30个C类地址,则需要
30个路由表目。因此,子网划分缩减了路由表的规模。
子网对外部路由器来说隐藏了内部网络组织(一个校园或公司内部)的细节。
子网对于子网内部的路由器是不透明的。
子网掩码
大多数系统把IP地址存在一个磁盘文件里供引导时读用。除了IP地址以外,主机还需要知道有多少比特用于子网号及多少比特用于主机号。这是通过子网掩码来确定的。子网掩码是一个32 bit的值,其中值为 1的比特留给网络号和子网号,为0的比特留给主机号。
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。
举例
假设主机地址是140.252.1.1(一个B类地址),而子网掩码为255.255.255.0(其中8bit为子网号,8 bit为主机号)。
如果目的 IP地址是140.252.4.5,那么我们就知道B类网络号是相同的(140.252),但是子网号是不同的(1和4)。
如果目的IP地址是140.252.1.22,那么B类网络号还是一样的(140.252),而且子网号也是一样的(1),但是主机号是不同的。
如果目的IP地址是192.43.235.6(一个C类地址),那么网络号是不同的,因而进一步的比较就不用再进行了。
给定两个IP地址和子网掩码后,IP路由选择功能一直进行这样的比较。
子网号为16 bit的A类地址与子网号为8
bit的B类地址的子网掩码是一样的。