黑鱼的池塘

1 引言

• 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
• 不可靠性，指不能保证IP数据报能成功地到达目的地。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP）。
• 无连接性，指是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。IP数据报可以不按发送顺序接收。
• RFC 791是IP的正式规范文件。

2 IP首部

• 数据报格式如上图，阅读顺序是从左到右，从上到下
• 前20个字节加上选项部分为IP首部
• 格式：
  1. 协议版本号，ipv4时值为4，ipv6值为6
  2. 首部长度，是指IP首部所占的字节数除以4的数量（单位：32bit），取值为5-15，即最少20字节，最大60字节。
  3. 服务类型，长度为8 bit，其中3 bit为优先权子字段（现在已被忽略），4 bit的TOS子字段和1 bit未用位但必须置0。其中，TOS子字段分别表示最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。TOS子字段只能将其中一个置为1，当都为0时意味着是一般服务。RFC 1349更详细地描述了TOS的特征。
  4. 总长度，指整个IP数据报的长度，以字节为单位。由于该字段长16比特，所以IP数据报最大可达65535字节。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。
  5. 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。
  6. 标志字段，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。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。当需要进行分片但设置了不分片比特时，把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报文。
  7. 片偏移字段，指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。
  8. TTL字段，生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数，指定了数据报的生存时间。每经过一个处理它的主机，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。
  9. 协议字段，根据它可以识别是哪个协议向IP传送数据。，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。
  10. 首部检验和，检验数据报在传输过程中是否出现差错。将首部每16个bit视为一个二进制表示的数，按每1个bit进行反码求和后，将结果存放在首部校验和字段中。接收方接收后进行反码求和，结果应该全为1，否则丢弃该收到的数据报，但不生成差错报文。
  11. 源IP地址和目标IP地址
  12. 任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。如安全和处理限制，记录路径等等，很少被使用。选项字段一直都是以32 bit作为界限，在必要的时候插入值为0的填充字节。

3 路由选择

3.1 路由表

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 为数据报的传输指定一个网络接口。

3.2 路由选择

1. 搜索路由表，寻找能与目的IP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。
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）。
3. 搜索路由表，寻找标为“默认（default）”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。
4. 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 子网寻址和子网掩码

4.1 子网寻址

• 子网，是指从大网络细分的子网络。因为A类和B类地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$2^{16}-2$（全1和全0的主机地址无效）。在InterNIC获得某类I P网络号后，就由当地的系统管理员来进行分配，由他（或她）来决定是否建立子网，以及分配多少比特给子网号和主机号。
• 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。大多数A类地址都是进行子网划分的。

4.2 子网掩码

• 子网掩码用来指明一个IP地址的哪些位标识的是主机的网络号和子网号，以及哪些位标识的是主机号。
• 子网掩码是一个32bit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。
• IP地址一般以点分十进制方法表示，但是子网掩码却经常用十六进制来表示。
• 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。

5 特殊的IP地址

• 上图表示7个特殊的IP地址，0表示所有的比特位全为0；- 1表示所有的比特位全为1；netid、subnetid和hostid分别表示不为全0或全1的对应字段。子网号栏为空表示该地址没有进行子网划分。
• 表的头两项是特殊的源地址，中间项是特殊的环回地址，最后四项是广播地址。
• 表中的头两项，网络号为0，如主机使用BOOTP协议确定本机I P地址时只能作为初始化过程中的源地址出现。