《TCP/IP详解卷1：协议》——第3章 IP：网际协议（转载）

1、引言

IP是TCP/IP协议族中最核心的协议。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。

（1）不可靠

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，如某个路由器暂时用完了缓冲区，

IP有一个简单的错误处理算法：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）。

（2）无连接

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。即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，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。

本章内容：

介绍IP首部中的各个字段，讨论IP路由选择和子网的有关内容。

2、IP首部

IP数据报的格式如图3-1所示。

IP数据报说明：

（1） 普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。最高位在左边，记为0 bit；最低位在右边，记为31 bit。

（2） 4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0~7 bit，其次8~15 bit，然后1 6~23 bit，最后是24~31 bit。

这种传输次序称作 big endian字节序 。由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，

因此又称作 网络字节序 。以其他形式存储二进制整数的机器，如little endian格式，则必须在传输数据之前把

首部转换成网络字节序。

4位的版本：

（3） 目前的协议版本号是4，因此IP有时也称作IPv4。

4位首部长度：

（4） 首部长度是指首部占32bit字的数目，包括任何选项。因为这个只用4位表示最多1111即15*4=60个字节，

普通的IP数据报字段的值是5。

8位服务类型（TOS）：

（5） 服务类型（TOS）字段包括一个3 bit的优先权子字段（现在已被忽略），4 bit的TOS子字段和1 bit未用位，但必须置0。

4 bit的TOS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。图3-2列出了对不同应用建议的TOS值。

注意： 现在大多数的TCP/IP实现都不支持TOS特性。

16位总长度字节数：

（6） 总长度字段是指整个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数据报最长可达65535字节。

当数据报被分片时，该字段的值也随之而变化。

总长度字段是IP首部的必要内容，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IP数据会更短，如果没有总长度字段，那么IP层就不知道这46字节中有多少是数据报内容。

注意： 尽管可以传送一个长达65535字节的IP数据报，但是大多数的链路层都会对它进行分片。而且，主机也要求

不能接收超过576字节的数据报。

由于TCP会将数据分成若干片，所以这个限制不会影响TCP。

大量使用UDP的应用（RIP，TFTP，BOOTP，DNS，以及SNMP），他们都限制用户数据报长度为512字节小于576

但现在大多数的实现（特别是那些支持网络文件系统NFS的实现）允许超过8192字节。

16位标识字段，3位标志，13位片偏移：

（7） 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。

8位生存时间（TTL）：

（8） TTL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。

8位协议：

（9） 协议字段，它可以识别是哪个协议向IP传送数据。1 ICMP  ，2 IGMP，6 TCP ，17 UDP

16位首部检验和：

（10） 首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码。他不对首部后面的数据进行计算。

ICMP，IGMP，UDP，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

计算一份IP数据报的检验和：

首先将检验字段和设置为0，然后对首部每个16bit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，同样对每个16bit二进制反码求和。由于接受方包含了发送方存在首部中的校验和，因此如果首部在传送过程中没有差错

那么、结果应该全部为1

如果不全为1，那么IP就会丢弃收到的IP数据报，但不生成差错报文，由上层区发现丢失的数据报并进行重传。

由于路由器经常只修改TTL字段（减1），因此当路由器转发一份报文时可以增加它的校验和，而不需要对IP整个

首部进行重新计算。

（11） 任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。这些选项很少被使用，并非所有的主机和路由器都支持这些选项。

3、IP路由选择

IP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。

说明： 大多数多用户系统，都可以配置成一个路由器。我们可以为它指定主机和路由器都可以使用的简单路由算法。

本质上的区别在于主机从不把数据报从一个接口转发到另一个接口，而路由器则要转发数据报。内含路由器功能的主机从不转发数据报

除非他被设置成那样。

（1） IP数据报处理过程

IP可以从TCP、UDP、ICMP和IGMP接收数据报（即在本地生成的数据报）并进行发送，或者从一个网络接口接收数据报（待

转发的数据报）并进行发送。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。如果是这些地址：

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。

如果不是这些地址：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；否则数据报被丢弃。

（2） 路由表包含的信息

路由表中的每一项都包含下面这些信息：

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，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）。

2） 下一跳路由器的IP地址，或者有直接连接的网络IP地址。

下一跳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。下一跳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。

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跳路由器是否为真正的下一跳路由器，

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） IP路由选择主要完成的功能

IP路由选择是逐跳地进行的。IP并不知道到达任何目的的完整路径（当然，除了那些与主机直接相连的目的）。

所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一跳路由器的IP地址。它假定下一跳路由器比发送数据报的主机更接近目的，

而且下一跳路由器与该主机是直接相连的。

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（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。

3） 搜索路由表，寻找标为“默认”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。

说明：

（1） 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。

（2） 完整主机地址匹配在网络号匹配之前执行。只有当它们都失败后才选择默认路由。

（3） 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路由选择机制的一个基本特性。

这样做可以极大地缩小路由表的规模，例如Internet上的路由器有只有几千个表目，而不会是超过100万个表目。

插入：

（1）子网掩码：给出一个IP地址，我们可以通过子网掩码确定这个IP地址的网络号和主机号。

（2）网络号：

（3）主机号：

（4）IP地址：4段十进制，共32位二进制

4、子网寻址

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 。原因是：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，在一个网络中人们并不安排这么多的主机。

说明： 全0或全1的主机号都是无效的，因此总数减去2。

例如：有一个B类网络地址(140.252)，在剩下的16bit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。（但并不要求一定要按照字节划分子网和主机号）

说明： 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。缩减了路由表的规模，

但子网对于子网内部的路由器是不透明的。

子网划分缩减了路由表的规模：例如B类地址140.252被划分为若干子网的事实，对于所有Internet路由器都是透明的。B类地址

即这个所有子网以外的路由器只需要知道通往IP地址140.252.104.1的路径即可。

子网对于子网内的路由器是不透明的。还是需要为其每一个子网设置路由表目。

5、子网掩码

任何主机在引导时进行的部分配置是指定主机IP地址。

子网掩码：

除了此以外，还需要知道有多少比特用于子网号和多少比特用于主机号。这是在引导过程中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。

例如：一个B类地址的两种不同的子网掩码格式。

第一个例子，子网号和主机号都是8 bit。第二个例子，子网号是10 bit，主机号是6 bit。

给定IP地址和子网掩码后，主机就可以确定IP数据报的目的是：

（1）本子网上的主机。

（2）本网络中其他子网的主机

（3）其他网络上的主机。

若果知道本机的IP地址：

（1）那么就可以知道它是否为A类，B类，或者C类地址

（2）也可以知道网络号和子网之间的分界线

（3）如果知道子网掩码，可以的到子网和主机号之间的分界线。

6、特殊情况的IP地址

介绍7个特殊的IP地址。0表示所有比特位全为0；-1表示所有比特位全为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。

7、ifconfig和netstat命令

（1）ifconfig(8)命令一般在引导时运行，以配置主机上的每个接口。由于拨号接口可能会经常接通和挂断（如SLIP链路），每次线路接通和挂断时，ifconfig都必须以某种方法运行。这个过程如何完成取决于使用的SLIP软件。

（2）netstat(1)命令提供系统上的接口信息。-i参数将打印出接口信息，-n参数则打印出IP地址，而不是主机名字。

这个命令打印出每个接口的MTU、输入分组数、输入错误、输出分组数、输出错误、冲突以及当前的输出队列长度。