网络层协议

文章目录

• 1. IP网地位
• 2. IP协议格式
• 3. IP地址编址
• 3.1 IP地址规则
• 3.2 应用实例
• 3.3 特殊IP地址
• 4. IP路由过程
• 4.1 IP路由概念
• 4.2 IP路由过程
• 4.2.1 IP数据报源
• 4.2.2 IP路由表
• 4.2.3 IP路由过程
• 4.3 路由过程举例
• 4.3.1 同一个网络
• 4.3.2 不在一个网络（甚至跨越不同的链路网络）
• 5. IP接收包的分用

本文整理自 《TCP-IP详解》

1. IP网地位

1. 地位：
   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。IP网协议是TCP/IP协议族的核心

2. 特点：
   I P提供不可靠 无连接的数据报传送。
         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

2. IP协议格式

1.格式
最高位在左边，记为0 bit；最低位在右边，记为31 bit。这种传输次序称作big endian字节序。
2. 字段

• 4位版本：
        目前的协议版本号是4，因此I P有时也称作I P v 4

• 4位首部长度：
        IP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

• 8位服务类型：
        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。
  4 bit TOS说明如下图：
  
        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

• 16位总长度：
        整个I P数据报的长度，以字节为单位。最大IP数据包可达65536字节，但是大多数的链路层都会对它进行分片

• 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
  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。

3. IP地址编址

3.1 IP地址规则

IP数据包从源地址发送到目标地址！讨论下IPV4地址的编码

1. IP分类
   根据网络地址范围，人为规定了A，B，C，D，E五类网络地址并且指定了网络号与主机号
   

2. 主机上的分类：
         现在所有的主机都要求支持子网编址不是把I P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类址为主机号分配了太多的空间，可分别容纳的主机数为2^24-2和 2^16-2(由于全0或全1的主机号都是无效的，因此我们把总数减去2)。事实上，在一个网络中人们并不安排这么多的主机。
         譬如：
         这里有一个B类网络地址（1 4 0 . 2 5 2），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2 5 4个子网，每个子网可以有2 5 4台主机。
   

3. 子网掩码
   对于一个IP地址，主机需要知道多少个bit用于网络号，多少个bit用于子网号。主机借助子网掩码可以得到这一信息

      首先，A类地址网络号为8bit，B类地址网络号为16bit
      其次，除去网络号掩码，剩余的bit为子网号占用的bit

      假设我们的主机地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1（一个B类地址），而子网掩码为2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 0（其中8b i t为子网号， 8 bit为主机号）。
       如果目的I P地址是1 4 0 . 2 5 2 . 4 . 5，那么我们就知道B类网络号是相同的（ 1 4 0 . 2 5 2），但是子网号是不同的（1和4）。
      如果目的I P地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 2 2，那么B类网络号还是一样的（ 1 4 0 . 2 5 2），而且子网号也
是一样的，但是主机号是不同的。
      如果目的I P地址是1 9 2 . 4 3 . 2 3 5 . 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。

3.2 应用实例

      大多数的子网例子都是B类地址。其实，子网还可用于C类地址，只是它可用的比特数较少而已。很少出现A类地址的子网例子是因为A类地址本身就很少（但是，大多数A类地址都是进行子网划分的）。
      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。在我们的网络例子中，所有的I P地址都有一个B类网络号1 4 0 . 2 5 2。但是其中有超过3 0个子网，多于4 0 0台主机分布在这些子网中。由一台路由器提供了I n t e r n e t的接入。

实例图说明：

1. 我们把大多数的路由器编号为Rn，n是子网号。我们给出了连接这些子网的路由器
2. 以太网用粗线表示，点对点链路用虚线表示。我们没有画出不同子网中的所有主机。例如，在子网1 4 0 . 2 5 2 . 3上，就超过5 0台主机，而在子网1 4 0 . 2 5 2 . 1上则超过1 0 0台主机。

      与3 0个C类地址相比，用一个包含3 0个子网的B类地址的好处是，它可以缩小I n t e r n e t路由表的规模。
      B类地址1 4 0 . 2 5 2被划分为若干子网的事实对于所有子网以外的I n t e r n e t路由器都是透明的。为了到达I P地址开始部分为1 4 0 . 2 5 2的主机，外部路由器只需要知道通往I P地址1 4 0 . 2 5 2 . 1 0 4 . 1的路径。这就是说，对于网络1 4 0 . 2 5 2只需一个路由表目，而如果采用3 0个C类地址，则需要3 0个路由表目。因此，子网划分缩减了路由表的规模
      子网对于子网内部的路由器是不透明的。一份来自I n t e r n e t的数据报到达g a t e w a y，它的目的地址是1 4 0 . 2 5 2 . 5 7 . 1。路由器g a t e w a y需要知道子网号是5 7，然后把它送到k p n o。同样，k p n o必须把数据报送到R 5 5，最后由R 5 5把它送到R 5 7。

3.3 特殊IP地址

4. IP路由过程

4.1 IP路由概念

      从概念上说， I P路由选择是简单的，特别对于主机来说。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I P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。

4.2 IP路由过程

4.2.1 IP数据报源

1. T C P、U D P、I C M P和I G M P协议模块数据报（即在本地生成的数据报
2. 一个网络接口接收数据报（待转发的数据报）并进行转发

4.2.2 IP路由表

      I P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

4.2.3 IP路由过程

1. 情景1 网络接口输入
   当数据报来自某个网络接口时， I P首先检查目的I P地址是否为本机的I P地址之一或者I P广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到由I P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I P层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发（也就是说，像下面对待发出的数据报一样处理）；否则（2）数据报被丢弃。
2. 情景2 本地生成数据报
   路由表中的每一项都包含下面这些信息：

• 目的I P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（或下一跳）路由器（ next-hop router）的I P地址，或者有直接连接的网络I P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I P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（我们将在9 . 2节中
  详细介绍这些标志）。
• 为数据报的传输指定一个网络接口。

具体工作
I P路由选择主要完成以下这些功能：

1. 搜索路由表，寻找能与目的I P地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配）。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（取决于标
   志字段的值）。
2. 搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目。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（取决于标志字段的值）。目的网络上的所
   有主机都可以通过这个表目来处置。例如，一个以太网上的所有主机都是通过这种表
   目进行寻径的。
   这种搜索网络的匹配方法必须考虑可能的子网掩码。关于这一点我们在下一节中进行
   讨论。
3. 搜索路由表，寻找标为“默认（ d e f a u l t）”的表目。如果找到，则把报文发送给该表目
   指定的下一站路由器。
   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。

4.3 路由过程举例

4.3.1 同一个网络

我们的主机b s d i有一个I P数据报要发送给主机s u n，双方都在同一个以太网上。

当I P从某个上层收到这份数据报后，它搜索路由表，发现目的I P地址（1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3）在一个直接相连的网络上（以太网1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 0）
数据报被送到以太网驱动程序，然后作为一个以太网数据帧被送到s u n主机上。I P数据报中的目的地址是s u n的I P地址（ 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3），而在链路层首部中的目的地址是48 bit的s u n主机的以太网接口地址。这个48 bit的以太网地址是用A R P协议获得的

4.3.2 不在一个网络（甚至跨越不同的链路网络）

主机b s d i有一份I P数据报要传到f t p . u u . n e t主机上，它的I P地址是1 9 2 . 4 8 . 9 6 . 9

1. 首先，主机b s d i搜索路由表，但是没有找到与主机地址或网络地址相匹配的表目，因此只能用默认的表目，把数据报传给下一站路由器，即主机s u n。当数据报从b s d i被传到s u n主机上以后，目的I P地址是最终的信宿机地址（1 9 2 . 4 8 . 9 6 . 9），但是链路层地址却是s u n主机的以太网接口地址
2. 当s u n收到数据报后，它发现数据报的目的I P地址并不是本机的任一地址，而s u n已被设置成具有路由器的功能，因此它把数据报进行转发。经过搜索路由表，选用了默认表目。根据s u n的默认表目，它把数据报转发到下一站路由器n e t b，该路由器的地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1 8 3。数据报是经过点对点S L I P链路被传送的。这里，我们没有
   给出像以太网链路层数据帧那样的首部，因为在S L I P链路中没有那样的首部。
3. 当n e t b收到数据报后，它执行与s u n主机相同的步骤：数据报的目的地址不是本机地址，而n e t b也被设置成具有路由器的功能，于是它也对该数据报进行转发。采用的也是默认路由表目，把数据报送到下一站路由器g a t e w a y（1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 4）。位于以太网1 4 0 . 2 5 2 . 1上的主机n e t b用A R P获得对应于1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 4的48 bit以太网地址。这个以太网地址就是链路层数据帧头上的目的地址。
4. 路由器g a t e w a y也执行与前面两个路由器相同的步骤。它的默认路由表目所指定的下一站路由器I P地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 0 4 . 2…
   

5. IP接收包的分用