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TCP-IP 详解：IP 网际协议

IP 是 Internet Protocol（网络互连协议，网际协议）的缩写，是 TCP/IP 体系中的网络层协议。

IP 是 TCP/IP 协议族中最为核心的协议，所有的 TCP，UDP，ICMP 和 IGMP 数据都以 IP 数据报格式传输。

特性

IP 提供不可靠，无连接的数据报传送服务。

• 不可靠：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。
• 无连接：IP 并不维护任何关于后续数据报的状态信息，每个数据报的处理都是相互独立的，这也意味着，IP 数据报可以不按发送顺序接受。

IP 首部

IP 的数据格式如下：

• 4位版本：目前 IP 的协议版本号是 4，因此 IP 也称作 IPv4。
• 4位首部长度：该字段定义数据报协议头长度，表示协议头部具有32位字长的数量。协议头最小值为5，最大值为15。
• 8位服务类型（TOS）：TOS 分别代表最小时延，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。
• 16位总长度字段：指整个 IP 数据报的长度，以字节为单位。由于该字段长 16 bit，所以 IP 数据报最长可达 65535 字节。
• 16位标识：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。
• 3位标记：该字段由3位字段构成，最低位（MF）控制分段，存在下一个分段置为1，否则置0代表该分段是最后一个分段。中间位（DF）指出数据报是否可进行分段，如果为1则机器不能将该数据报进行分段。第三位即最高位保留不使用，值为0。
• 13位分段偏移：该字段指出分段数据在源数据报中的相对位置，支持目标IP适当重建源数据。
• 8位生存时间字段 TTL（time-to-live）：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。
• 8位协议字段：根据它可以识别是哪个协议向 IP 传送数据。
• 16位首部校验和字段：根据 IP 首部计算的校验和码。
• 32位源 IP 地址/目的 IP 地址：地址都是 32 bit 的值。
• 选项：数据报中的一个可变长的可选信息。

TTL

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 1。

当该字段为 0 时，数据报就被丢弃，并发送 ICMP 报文通知源主机。

首部校验和

首部校验和不对首部后面的数据进行计算。

ICMP，IGMP，UDP 和 TCP 在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据校验和码。

计算 IP 校验和的步骤如下：

1. 把校验和字段置为 0
2. 对首部中每个 16 bit 进行二进制反码求和，结果存在校验和字段中
3. 当收到一份 IP 数据报后，同样对首部中每个 16 bit 进行二进制反码求和
4. 如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全 1
5. 如果结果不是全 1，那么 IP 就丢弃收到的数据报，由上层去发现丢失的数据报并进行重传

选项

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，选项定义如下：

• 安全和处理限制，用于军事领域
• 记录路径，让每个路由器都记下它的 IP 地址
• 时间戳，让每个路由器都记下它的 IP 地址和时间
• 宽松的源站选路，为数据报指定一系列必须经过的 IP 地址
• 严格的源站选路，与宽松的源路选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址

IP 分片

一个 IP 数据报从源主机传输到目标主机可能需要经过多个不同的物理网络。

由于各自网络的数据帧都有一个最大传输单元 MTU，如以太网帧的 MTU 是 1500，因此，当路由器在转发 IP 时，如果数据报大小超过了出口链的最大传输单元时，则会将该 IP 分组分解成小的片段。

这些 IP 分片重新封装一个 IP 包独立传输，在到达目标主机时才会被重组起来。

IP 路由选择

IP 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 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（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. 如果上面步骤都没有成功，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。

IP 分组的转发规则

• 如果目标网络与本地路由器直接相连，则直接将数据报交付给目标主机，这个叫做直接交付
• 否则，路由器通过路由表查找路由信息，并将数据报转交给指明的下一跳路由器，这个叫做间接交付

路由表

IP 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。

路由表中的每一项都包含下面这些信息：

• 目的 IP 地址。既可以是完整的主机地址，也可以是一个网络地址。
• 下一站（或下一跳）路由器（next-hop router）的 IP 地址，或者有直接连接的网络 IP 地址。
• 标志。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。
• 为数据报的传输指定一个网络接口。

子网掩码

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。

任何主机在引导时进行的部分配置是指定主机 IP 地址。除了 IP 地址以外，主机还需要知道有多少比特用于子网号以及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。

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

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