IP概述

一些概念：

IP是TCP/IP協(xié)議族中最為核心的協(xié)議。所有的TCP，UDP，ICMP，IGMP數(shù)據(jù)都是以IP數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸。IP協(xié)議就是定義數(shù)據(jù)如何從源地址傳送到目的地址，同時也定義在傳輸過程中的數(shù)據(jù)分片和重新組裝
IP協(xié)議是被它的上層協(xié)議（TCP，UDP）調(diào)用，同時它也調(diào)用它的下層協(xié)議（以太網(wǎng)協(xié)議，IEEE802），把IP數(shù)據(jù)報(bào)傳到下一個網(wǎng)關(guān)（gateway）或目的地址
IP協(xié)議主要實(shí)現(xiàn)兩個基本功能：尋址和數(shù)據(jù)分片

IP運(yùn)作模式（model of operation）

網(wǎng)絡(luò)1中的應(yīng)用程序把要數(shù)據(jù)交給IP模塊處理，加上目標(biāo)，源地址和相關(guān)參數(shù)等信息放到IP頭中
IP模塊根據(jù)特定的鏈路層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。例如如果現(xiàn)在是以太網(wǎng)局域網(wǎng)，則根據(jù)目的IP地址得到相應(yīng)的MAC地址，并封裝IP數(shù)據(jù)包為特定的鏈路層數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行傳輸?shù)骄钟蛉獾木W(wǎng)關(guān)
網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)后，去掉相關(guān)的鏈路層頭信息，交由IP模塊處理
IP模塊去掉鏈路層相關(guān)數(shù)據(jù)頭信息后，根據(jù)IP地址和特定鏈路層協(xié)議，把數(shù)據(jù)報(bào)傳到網(wǎng)絡(luò)2中的網(wǎng)關(guān)。
網(wǎng)絡(luò)2中的網(wǎng)關(guān)根據(jù)目的IP地址得到對應(yīng)硬件地址MAC地址，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付康闹鳈C(jī)上
目的主機(jī)IP模塊將得到的數(shù)據(jù)去掉底層協(xié)議頭信息后將給相應(yīng)的應(yīng)用程序進(jìn)程以供調(diào)用處理

IP頭部格式定義（IP Header Format）

我們從上到下，從左到右介紹下各字段含義：

version(版本)： 指IP協(xié)議版本號，目前是4，也稱IPv4,將來（現(xiàn)在已經(jīng)在用了）會是IPv6
IHL(internet header length)：指頭部長度數(shù)值，以4字節(jié)（32比特）為單位。因?yàn)镮HL占四比特位置，所以最大值是：2^4 -1 = 15，則頭部可能最大為：15 ＊ 4字節(jié) ＝ 60字節(jié)，一般沒有選項(xiàng)(options)數(shù)據(jù)時值為5（即5 * 4字節(jié)＝20字節(jié)）
Type of service(服務(wù)類型)： 前三個比特指優(yōu)先權(quán)字段（已被忽略）。中間四個比特表示：最小時延，最大吞吐量，最高可靠性，最小費(fèi)用。0表時一般，1表示最優(yōu)。四個中只能一個置1。最后一比特預(yù)留，總置為0
Total length(IP數(shù)據(jù)總長度) ： IP數(shù)據(jù)報(bào)內(nèi)容的長度，包括IP頭部部分，以字節(jié)為單位。因?yàn)檎?6比特，所以最長為65535（2^16-1）。盡管IP數(shù)據(jù)報(bào)最長可以達(dá)65535字節(jié)，但是我們知道有些鏈路層有最大傳輸單元的限制（MTU），如以太網(wǎng)就是1500，這時候IP數(shù)據(jù)報(bào)就要分片（Fragmentation）傳輸。
Identification(唯一標(biāo)識)： 每一個IP數(shù)據(jù)報(bào)都要有唯一的標(biāo)識字段，這樣在分片和重組時不至于混淆兩個完全不同的分片數(shù)據(jù)。這在后面分組，重組中會講到
Flages(標(biāo)志)： 這個字段也是為IP數(shù)據(jù)報(bào)的分片和重組作用的。用于標(biāo)識收到的分片后續(xù)是否還有分片待接收。
Fragment offset(分片偏移)：指當(dāng)前分片數(shù)據(jù)在整體IP數(shù)據(jù)報(bào)中所處的偏移量，以8字節(jié)（64比特）為單位。由此可見,「identification」，「Flages」,「Fragment offset」這三個字段是為IP數(shù)據(jù)報(bào)分片和重組功能作用的字段
Time to live(生存時間) ： 設(shè)置IP數(shù)據(jù)報(bào)可以經(jīng)過的最多路由器數(shù)目。每次經(jīng)過一次處理它的路由器，它的值就減1，值到為0時，該數(shù)據(jù)報(bào)丟棄，并發(fā)送ICMP報(bào)文到源主機(jī)。
Protocol(協(xié)議) ： 指定它的上層協(xié)議，如TCP。
Header checksum(頭檢驗(yàn)和) ： 為了驗(yàn)證IP頭數(shù)據(jù)的完整性，進(jìn)行一系列計(jì)算求出的檢驗(yàn)和值，當(dāng)接收方收到后也要進(jìn)行同樣的計(jì)算并把求出的檢驗(yàn)和與收到的相比較，以判斷IP數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中是無誤傳輸?shù)摹?br />關(guān)于計(jì)算檢驗(yàn)和的算法，在RFC1071里定義。我沒有詳細(xì)看這份rfc，但是這篇文章介紹得挺詳細(xì)的。
source address 和 destination address 分別指源IP地址和目的IP地址。
options(頭部選項(xiàng))：一些特定應(yīng)用時定義的選項(xiàng)值。只需要注意幾點(diǎn)：「選項(xiàng)」是可選的（optional），且如果有選項(xiàng)值的話，長度值必需以32比特為上界，不足的話補(bǔ)0。這是因?yàn)镮P頭部始終以32比特為單元。

IP路由選擇

我們自己的電腦和一臺主機(jī)通信時，如訪問某一個網(wǎng)站的web服務(wù)，映射到底層后其實(shí)就是IP數(shù)據(jù)報(bào)(ip datagrams)的傳輸。那么一個IP數(shù)據(jù)報(bào)（假如一個http地址請求的數(shù)據(jù)）是怎么的方式從我的電腦達(dá)到web站點(diǎn)的呢？這里我們設(shè)置一個具體網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，然后基于這個環(huán)境分析下。

我的電腦主機(jī)名是「host」，IP是「192.168.1.121」，假如我現(xiàn)在要訪問www.baidu.com的頁面，ping得baidu.com的服務(wù)器IP是220.181.111.53。則IP數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸過程如下描述：

由于目的地址IP是「220.181.111.53」，與要機(jī)IP地址「192.168.1.121」不在一個網(wǎng)絡(luò)號，因此數(shù)據(jù)發(fā)送到本地局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)上，即本地路由器「192.168.1.1」。
本地路由器接收到數(shù)據(jù)后，要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，由于本地路由器是通過電信ADSL撥號上網(wǎng)，分配的IP是「113.89.201.22」，與目的IP，即baidu的服務(wù)器IP 「220.181.111.53」也不是在一個網(wǎng)絡(luò)上，因此把數(shù)據(jù)發(fā)到默認(rèn)網(wǎng)關(guān)上轉(zhuǎn)發(fā)，即發(fā)到電信網(wǎng)關(guān)「113.89.201.1」
電信網(wǎng)關(guān)「113.89.201.1」通過查找路由表記錄，找到一條路由記錄項(xiàng)記錄的下一站路由IP「220.181.111.12」，它和我們的目的IP地址「220.181.111.53」處在同一個網(wǎng)絡(luò)號（network address）上
當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絙aidu網(wǎng)關(guān)「220.181.111.12」時，發(fā)現(xiàn)目的地址「220.181.111.53」處在同一個網(wǎng)絡(luò)中，則通過ARP得到目的主機(jī)的硬件地址（MAC），封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式后傳輸?shù)侥康闹鳈C(jī)「220.181.111.53」上。
至此，整個數(shù)據(jù)報(bào)從源主機(jī)「192.168.1.121」到「220.181.111.53」傳輸完畢

通過上面的一個實(shí)例分析，總結(jié)下IP路由的一些規(guī)范：

搜索路由表，尋找與目的IP地址完全匹配的表目：網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號都要匹配。如果存在，則把報(bào)文直接發(fā)送到目的IP
搜索路由表，尋找與目的IP地址相匹配的網(wǎng)絡(luò)號表目，如果存在，則把報(bào)文發(fā)送到與之匹配網(wǎng)絡(luò)號的路由器上
如果上述兩步中都沒有查找成功，則把報(bào)文發(fā)送到路由器設(shè)置的默認(rèn)下一站路網(wǎng)器上。
如果到這里還沒有成功，則當(dāng)前數(shù)據(jù)報(bào)就不能傳送了（因?yàn)楝F(xiàn)在都不知道下一站去哪里），則表明發(fā)送失敗，那么需要向源發(fā)送端發(fā)送一個“錯誤”訊號。

子網(wǎng)

我們知道，IP地址是由網(wǎng)絡(luò)號和主機(jī)號組成的，如下圖所示一個B類地址：

網(wǎng)絡(luò)號一般是由一個國際組織機(jī)構(gòu)（InterNIC）頒發(fā)的，像上面的140.152；但是后面的子網(wǎng)號（5）和主機(jī)號（121）則是由擁有該網(wǎng)絡(luò)號的管理員自己分配。

假如我們看到一個IP地址，可以馬上知道它的網(wǎng)絡(luò)號（因?yàn)榭梢愿鶕?jù)IP地址的類型：A，B，C就可以得知網(wǎng)絡(luò)號），但是還要知道后面的比特值有多少是為子網(wǎng)號占有，有多少是主機(jī)號占有。像上圖所示的我們把8比特分給了子網(wǎng)號，另外8比特分給了主機(jī)號，但是這只是我們可選的一種分配方式，并沒有規(guī)定必需這樣，也可以按3：13這個比例來分配。所以這個時間，我們就需要設(shè)置規(guī)定這樣的一個分配比較規(guī)則，即就是「子網(wǎng)掩碼」這個概念。子網(wǎng)掩碼可以怎么定義：把32比特的地址值中網(wǎng)絡(luò)號和子網(wǎng)號全部置為1，主機(jī)號置為0，像上面的IP：140.152.5.121的子網(wǎng)掩碼格式如下：

所以給定一個IP地址，加上一個子網(wǎng)掩碼，我們就可以等到如下信息：

IP地址類型：根據(jù)最高位可知，如A，B，C類IP
網(wǎng)絡(luò)號 ：根據(jù)IP類型后，就知道網(wǎng)絡(luò)號（每個IP類型明確知道網(wǎng)絡(luò)號占的比特位數(shù)）
子網(wǎng)號 ：根據(jù)子網(wǎng)掩碼的定義，對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)號和子網(wǎng)號的位置都是1，所以我們知道了子網(wǎng)號所占的比特值
主機(jī)號 ：知道了子網(wǎng)號，同時也知道了主機(jī)號

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總結(jié)

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