网络编程教程（二）IP协议详解

一、IP服务特点

1.无状态

无状态是指IP通信双方不同步传输数据的状态信息，因此所有IP数据报的发送、传输和接收都是相互独立的。这种服务的缺点是无法处理重复、乱序的IP数据包，而优点就是快速和高效。

2.无连接

无连接是指IP通信双方都不长久地维持对方的任何信息。因此，上层协议每次发送数据的时候，都必须明确指定对方的IP地址。

3.不可靠

不可靠是指IP协议不能保证IP数据报准确地到达接收端，它只是承诺尽最大努力。

二、IPv4头部结构

1.IP头部

2.头部字段含义

字段	含义
版本号	IPv4的版本号是4，IPv6的版本号是6
头部长度	字段长度为4bit，最大值为15，所以头部长度最大为15*4=60byte
服务类型	最小费用、最大吞吐量、最延时和最高可靠性，目前这个字段不使用
总长度	整个IP数据包（头部+上层数据）长度，最大为2^16-1=65535字节
标识	唯一标识主机发送的每一个数据报。其初始值由系统随机生成；每发送一个数据报，其值就加1.该值在数据报分片时被复制到每个分片中，因此一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。
标志	3位标志，第一位保留，第二位标识禁止分片，第三位标识更多分片。
TTL	生存时间，是数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。当TTL值减为0时，路由器将丢弃数据报，并向源端发送一个ICMP差错报文，TTL值可以防止数据报陷入路由循环。
协议类型	用来区分上层协议，ICMP是1，TCP是6，UDP是17.
头部校验和	由发送端填充，接收端对其使用CRC算法以检验IP数据报头部（注意，仅检验头部）在传输过程中是否损坏
源端IP地址	数据报的发送端
目的端IP地址	数据报的接收端
可选项	可变长的可选信息，最多包含40字节。IP选项包括如下：记录路由：告诉数据报途径的所有路由器将自己的IP地址填入IP头部选项部分，从而实现跟踪数据报的传递路径时间戳：告诉每个路由器都将数据包被转发的时间填入IP头部的选项部分，从而实现测量路由之间数据报传输时间源路由：源路由分为松散源路由和严格源路由，松散源路由是指指定一个路由器IP地址列表，数据报发送过程中必须经过其中所有路由器；严格源路由是指给定一组路由器IP地址列表，数据报发送过程中必须且仅仅只能经过这些路由器。

三、IP分片

1.什么时候发生IP分片

我们从上面的IP字段中可以看出IP数据报的最大长度为65535字节，而数据链路层的MTU为1500字节（以以太网为例），这个时候需要我们进行IP数据报进行分片，以便其可以在物理介质中传输。

2.分片发生的位置

分片可能发生在发送端，也可能发生在中转路由器上，而且可能在传输过程中被多次分片，但只有在最终的目标机器上，这些分片才会被内核中的IP模块重新组装。

3.如何处理分片

IP头部中有三个字段为IP的分片和重组提供足够的信息：数据报标识、标志和片偏移。一个IP数据报的每个分片都有自己的IP头部，它们具有相同的标识值，但具有不同的片偏移。并且除了最后一个分片外，其他分片都将设置为MF标志。此外，每个分片的IP头部的总长度字段将被设置为该分片的长度。

四、IP路由

1.IP模块处理流程

当IP模块接收来自数据链路层的IP数据报时，它首先对该数据报的头部做CRC校验，确认无误以后解析其头部分析。如果IP数据报的头部设置了源站路由选项，则IP模块调用数据包转发子模块来处理该数据报。如果该IP数据报是发送给本机的，则直接将该数据报派发给相应的上层协议处理模块（分用）。如果不是发送给本机的，则根据路由表进行转发。、

2.路由机制

IP数据报根据路由表来决定传送给哪一个路由器，选择过程如下：

(1)查找路由表中和数据报的目标IP地址完全匹配的主机IP地址。如果找到，就使用该路由项，否则转(2).

(2)查找路由表中和数据报的目标IP地址具有相同网络ID的网络IP地址。如果找到，就使用该路由项；没找到就转步骤(3).

(3)选择默认路由项，这通常意味着数据报的下一跳路由是网关。

五、相关协议

1、BGP协议

BGP是一种不同自治系统的路由器之间进行通信的外部网关协议。BGP与RIP和OSPF的不同之处在于BGP使用TCP作为其传输层协议。两个运行BGP的系统之间建立一条TCP连接，然后交换整个路由表。

2、OSPF协议

OSPF是另一个内部网关协议。与采用距离向量的RIP协议不同的是，OSPF是一个链路状态协议。距离向量的意思是RIP发送的报文包含一个距离向量。每个路由器根据它所接收到邻站的这些距离来更新自己的路由表。

在一个链路状态协议中，路由器并不与其邻站交换距离信息。它采用的是每个路由器主动地测试与其邻站相连链路的状态，将这些信息发送给它的其他邻站，而邻站将这些信息在自制系统中传播出去。每个路由器接收这些链路状态信息，并建立起完整的路由表。