第3章IP協(xié)議分析

第三講IP協(xié)議IP協(xié)議主要內容：IP層的特點、功能和地位IP數據報格式IP數據報傳輸一、IP層的特點、功能和地位1.IP層的特點⑴IP層作為通信子網的最高層，提供無連接的數據報傳輸機制。⑵IP數據報協(xié)議非常簡單，不能保證傳輸的可靠性。⑶IP協(xié)議是點到點的。IP層對等實體間的通信不經過中間機器，對等實體所在機器位于同一物理網絡，對等機器之間擁有直接的物理連接，IP層點到點通信的一個最大問題是路由：根據信宿IP地址如何確定通信的下一點。只有確定了通信的下一點，點到點通信才能建立起來。2.IP協(xié)議的功能⑴IP定義了在整個TCP/IP網絡上數據傳輸所用的基本單元。因此，它規(guī)定了Internet上傳輸的數據的確切格式；⑵IP軟件完成路由選擇的功能，選擇一個數據發(fā)送的路由；⑶除了數據格式和路由選擇的精確而正式的定義以外，IP還包括了一組體現了不可靠分組傳送思路的規(guī)則。這些規(guī)則指明了主機和路由器應該如何處理分組、何時及如何發(fā)出錯誤信息以及在什么情況下可以放棄分組。IP是TCP/IP協(xié)議設計中最基本的部分，因此有時稱TCP/IP網絡為基于IP的技術。3.IP層的地位各種網絡技術的幀格式、地址格式等有一些差別（對上層協(xié)議來說），TCP/IP的重要思想之一就是通過IP數據報和IP地址將它們（底層物理網絡的幀格式、地址格式等存在的差別）統(tǒng)一起來，達到屏蔽低層細節(jié)、提供一致性的目的。IP數據報對物理幀的統(tǒng)一如下圖所示。二、IP數據報格式在IP層的分組叫數據報。IP協(xié)議接收上層協(xié)議傳輸過來的數據報，加入IP報頭，組成一個IP數據報，并且傳輸該報文到達目的主機。IP數據報的一般格式IP數據報由報頭和數據兩個部分組成，數據報的總長度限制在65535個字節(jié)以內，其中，報頭的長度為20～60字節(jié)，因不同Option的運用而不同，剩下的部分是來自上層的數據。IP報頭是IP數據報的核心。IP報頭的基本格式IP報頭的長度是20～60字節(jié)，若不含有Option，則IP報頭的基本長度是20字節(jié)?！癘ption”字段不是絕對需要的，主要用于測試與安全方面?！癙adding”是位填補字段，配合Option一起使用。IP報頭各個字段的內容1、Version：版本號指IP模塊使用的IP協(xié)議的版本，字段長度是4Bits。目前IP協(xié)議有IPv4和IPv6兩種版本，IPv4的VER值為4，IPv6的VER值為6。

2、IHL：IP報頭長度（InternetHeaderLength）是IP報頭的長度，該字段長度是4Bits。IHL以4個字節(jié)為計算單位。IP報頭基本長度是20字節(jié)，所以IHL的最小值為5；若含有Option，IP報頭的最大值是60字節(jié)，則IHL的最大值為15。IP報頭各個字段的內容3、ServiceType：服務類型表示數據報在網絡中傳輸的處理方式，字段長度是8Bits，包含3位優(yōu)先等級位（precedence）以及4位的服務類型參數（TOS：typeofservice）和1位保留位。3比特的“優(yōu)先權”（Precendence）子域指示本數據報的優(yōu)先權，表示本數據報的重要程度。優(yōu)先權取值從0到7，“0”表示一般化先權，“7”表示網絡控制優(yōu)先權。當路由器出現擁塞而必須放棄一些數據報時，具有低優(yōu)先權的數據報將被丟棄。ServiceType：服務類型4~1位是服務類型參數，D代表低延遲——Delay，T代表高吞吐率——Throughput，R代表高可靠性——Reliability，C代表成本——Cost。TOS每一個組合的4個位最多只能有一個位為1，其它3位為0，默認值為0000。0001代表最小代價0010代表最高可靠性0100代表最大吞吐量1000代表最小時延IP報頭各個字段的內容4、TotalLength：數據報總長度指數據報的總長度，包括報頭和數據，以字節(jié)為計算單位。該字段的長度是16Bits，所以最大值是216-1即65535個字節(jié)。這么大的數據報對大多數主機和網絡來說是不適用的。但是，所有主機必須能夠接收大于576字節(jié)的數據報，無論它們是一起來，還是分段來。如果知道對方主機能夠接收大于576字節(jié)的數據報，最好在發(fā)送時不要發(fā)送小于576字節(jié)的數據報。選擇576是因為576=512（數據）+64（報頭）。報頭最長不超過60字節(jié)，通常為20字節(jié)。

在高速網絡中，一個物理幀一次可以傳輸大于65535個字節(jié)的數據分組。IP報頭各個字段的內容5、Identification：數據報標識是由源主機指定的數據報標識碼，用于將分割后的小數據報重組成原始數據報。標識字段唯一地標識主機發(fā)送的每一份數據報。通常每發(fā)送一份報文它的值就會加1。在一些情況下，一個數據報可能要被分割為幾塊（分片）進行傳送，有了標識段，接收端可以據此識別所收IP分組是屬于哪個數據報。該字段的長度是16Bits，因此可以標識65535個不同的數據報。IP報頭各個字段的內容6、Flags：標志分割控制標志，長度為3Bits。最高位是預留位，其值必須為0。第二位是“不分割（DF）”標志位，為0則表示可分割，為1則表示不分割；第三位是“更多分割（MF）”標志位，為0則表示這是最后一個數據報，為1則表示后面還有數據報。

IP報頭各個字段的內容7、FragmentOffset：分割偏移表示分割后的數據報在原始數據報中的位置，以8個字節(jié)為計算單位，第一個數據報的偏移是0。8、TimetoLive：存活時間表示數據報在IP網絡中能夠存在的最長時間，字段長度是8Bits，所以TTL的最大值為28-1即255秒。

TTL設置了數據報可以經過的最多路由器數。它指定了數據報的生存時間。TTL的初始值由源主機設置（通常為32或64），一旦經過一個處理它的路由器，它的值就減去1。當該字段的值為0時，數據報就被丟棄，并發(fā)送ICMP報文通知源主機。

IP報頭各個字段的內容9、Protocol：協(xié)議表示IP協(xié)議的上一層協(xié)議，字段長度為8Bits。各種高層協(xié)議都有對應的Protocol值。IP報頭各個字段的內容10、HeaderChecksum：報頭校驗和報頭校驗和字段長度為16Bits，用于數據報傳輸過程中的錯誤檢測。算法很簡單：置頭校驗和的初值為“0”,然后對報頭的每16位求二進制反碼,然后累加,結果再取反;只做報頭校驗,數據區(qū)不做:節(jié)省時間,但不可靠;數據報每經過一個結點,都要重新計算報頭校驗和,因為生存時間、標志、片偏移等可能發(fā)生變化;收到數據報后,先進行校驗和并和原來的數值進行比較,如不符則說明傳輸有錯,就將該數據報丟棄。IP報頭各個字段的內容11、SourceAddress：源地址源地址字段長度為32Bits，表示發(fā)送數據報的主機的IP地址。12、DestinationAddress：目的地址目的地址字段長度為32Bits，表示接收數據報的目的主機的IP地址。IP報頭各個字段的內容13、IP選項格式如下圖所示，包括：一個字節(jié)的代碼（Code）字段，一個字節(jié)的長度（Length）字段，以及一個長度可變的數據（Data）字段。代碼字段表示選項的作用、類型以及是否被復制。長度字段表示選項的總長度。數據字段表示選項的信息，例如偏移量、指針、長度、地址等數據。

IP選項的類型1、EndofOptionList（EOL）：選項結束

EOL是1字節(jié)選項，用于提示這是最后一個選項，必須放在所有選項的后面。2、NoOperation（NOP）：無操作

NOP也是1字節(jié)選項，用于選項之間的邊界對正IP選項的類型3、RecordRoute（RR）：記錄路由用于記錄數據報在Internet中傳送的路由。該選項的長度是可變的，分割時不需復制，僅保留在第一個數據報中。格式如下圖所示。

路由記錄數據字段在IP模塊送出數據報之前是空的，指針字段的初值是4，指向第一個空字段。IP選項的類型4、StrictSourceandRecordRoute（SSRR）：嚴格的源路由用于源主機預先指定數據報在Internet中傳送的路由并且記錄傳送過程中經過的路由。該選項的長度是可變的，分割時必須復制。格式如下圖所示。IP選項的類型5、LooseSourceandRecordRoute（LSRR）：寬松的源路由

LSRR也可以用于源主機預先指定數據報的傳送路由并且記錄傳送過程中經過的路由。格式如下圖所示。

LSRR是一種寬松的路由策略，對傳送路由的要求不及SSRR嚴格。LSRR允許數據報經過任何非指定的路由器，這是與SSRR最大的區(qū)別。IP選項的類型6、Timestamp（TS）：時間戳時戳（timestamp）就是數據報每經過一個網關時所記錄下的當地時間。IP數據報的“時戳”選項即用于記錄時戳，其格式與源路由選項類似。

用于記錄路由器處理數據報的時間。該選項的長度是可變的，分割時不需復制，僅存在于第一個數據報中。TS選項的格式如下圖所示。

IP選項的類型6、Timestamp（TS）：時間戳“溢出”O(jiān)verflow域記錄因信源機分配的數據空間不夠而未能記錄下來的時戳個數?！皹酥尽庇蛴糜诳刂茣r戳選項格式時戳中的時間采用國際標準時間（universaltime）表示，以千分之一秒為單位。時戳選項提供了IP數據報在Internet中傳輸的時域參數，可用于分析網絡吞吐率、擁塞情況、負載情況等。注意，假如采用標志值為“1”的時戳，該選項可以用于替代記錄路由選項；另外，由于Internet中各網關時鐘并不嚴格同步，時戳只能作為一種大致的參考值。標志值意義0只記錄時間，不記錄IP地址1時間、地址同時記錄3地址由源機指定，只記錄指定地址處的時間IP報頭各個字段的內容14、Padding：位填補位填補字段的長度是可變的。當IP報頭的長度不是4個字節(jié)的倍數時，就利用Padding在報頭最后面填入一連串的0，直到報頭的長度成為4個字節(jié)的倍數。

三、IP數據報傳輸1.IP數據報封裝⑴IP數據報與幀網絡數據都是通過物理網絡幀傳輸的，作為一種高層網絡數據，IP數據報最終也要通過幀來傳輸。Internet環(huán)境中一個IP數據報不一定恰好能在一個幀里封裝。在IP協(xié)議設計中只能追求一種最優(yōu)的或較優(yōu)的情況，選擇合適的IP數據報大小，以適應Internet中不同的幀能力，求得理想的數據傳輸效率。⑵數據報封裝假如一個數據報能在一幀里傳輸。那么可以將它直接裝入幀數據區(qū)，作為無意義的一般數據傳輸，物理硬件不關心其細節(jié)。這種將數據報直接映射到物理幀的方式叫作數據報封裝（encapsulation），如圖3.11所示。幀數據區(qū)幀頭IP數據報數據區(qū)IP數據報頭2.數據報分片（fragment）⑴每個物理網絡傳輸的幀都有不同最大尺寸限制各種物理網絡技術，對幀的大小有不同的規(guī)定，叫作最大傳輸單元MTU（MaximumTransferUnit，）。一個物理網絡的MTU由硬件決定，通常情況下是保持不變的。正如前面所說，不同物理網絡，其MTU一般是不相同的。2.數據報分片（fragment）⑵IP分組的尺寸可以在很大范圍內變化與由硬件決定的MTU不同，IP數據報大小由軟件所決定，在一定范圍內(65535)可以任意選擇通過選擇適當的IP數據報大小以適應Internet中不同的MTU問題是無論選擇Internet中最大或最小MTU作為數據報上限均達不到理想的效果：假如以最大MTU作為數據報大小的上限，則在MTU較小的網絡上不能實現數據封裝；假如以最大MTU作為數據報大小的上限，則在MTU較大的網絡上必然造成硬件能力的浪費。2.數據報分片（fragment）⑶IP協(xié)議采用分片（fragmentation）技術屏蔽物理網絡幀MTU的不同IP協(xié)議在確定數據報大小時，簡單地以“方便”為原則。也就是說，在不超過版本本身規(guī)定的數據報大小的前提下，IP協(xié)議選擇當前最合適的數據報大小（所謂“合適”指在信源機所在物理網上能進行最大限度封裝）。IP協(xié)議提供分片（fragmentation）機制，在MTU較小的網絡上，將數據報分成若干較小的部分進行傳輸。這種較小的部分叫作片（fragment）。⑷IP協(xié)議分片方法分片的方法及片的格式如圖3.12所示。該圖說明報頭長20個字節(jié)，數據區(qū)長1400個字節(jié)的數據報在幀MTU為620字節(jié)的物理網絡中分片的情況。⑷IP協(xié)議分片方法–例子偏移=0/8=0偏移=0/8=0偏移=1400/8=175偏移=2800/8=350140028003799279913993799需分片的數據報數據報片1首部數據部分共3800字節(jié)首部1首部2首部3字節(jié)0數據報片2數據報片314002800字節(jié)0分片必須滿足兩個條件1)各片盡可能大，但必須能為幀所封裝；2)片大?。ㄒ宰止?jié)為單位）必須為8的整數倍，否則IP無法表達其偏移量。⑸分片工作在何處做在數據報從信源機到信宿機的路由中，往往要經過若干物理網絡。根據“方便”原則，信源機按照所在網絡的MTU確定