网际协议 -- IP

1. 概述

之前的介绍中，我们看到，IP 是 TCP/IP 协议族中最为核心的协议，所有的 TCP、UDP、ICMP、IGMP 数据都以 IP 数据报的格式传输。

IP 是一个不可靠、无连接的数据报传输的网络层协议，他不能保证 IP 数据报的成功传输，如果发生错误，则丢弃该数据报，并发送 ICMP 消息给发出端。 IP 并不维护任何关于后续数据报的状态信息，每个数据报都是相互独立的，因此，IP 数据报可以不按发送顺序接收。

2. IP 首部

图中，每个 32 位都被拆成了若干部分，这些部分的次序在具体的主机中的存储实现是各不相同的，每个实现都被成为主机序，而协议中规定的标准顺序被称为网络序。

• TOS 8 位的 TOS 代表服务类型，依次是： 1. 3bit 的优先级子字段（已被忽略） 2. 4bit 的 TOS 子字段（包含最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用），在 4bit 的 TOS 子字段中，只能有 1bit 被置为 1，如果 4bit 均为 0，则为一般服务，大多数 TCP/IP 实现都不支持 TOS 特性 3. 1bit 未用位必须置为 0
• TTL 8 位的 TTL 字段表示生存时间，他设置了数据报可以经过的最多路由器数，源主机设置他的初始值，没经过一个路由器就会将该值减 1，直到他减为 0 则会将该数据报丢弃。
• 选项 在 20 字节首部外的选项字段是可变长的，是一个可选的信息字段，一般很少使用，也不是所有主机和路由器都支持这些选项，一般长度为 32bit 的整数倍。

3. IP 的路由选择

IP 路由选择是很简单的，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，如以太网或令牌环网，那么 IP 数据报会被直接送到目的主机上，否则，主机把数据发送到一个默认路由器上，由路由器来转发该数据报。 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，他都要对路由表进行一次搜索。 路由表包含以下信息： 1. 目的 IP 地址 2. 下一站路由器的 IP 地址或直接连接的网络 IP 地址 3. 标志，用来指明目的 IP 地址是网络地址还是主机地址，下一站是路由器还是直接相连的接口 4. 数据报传输接口

如果数据报的目的地址是本机的 IP 地址或者 IP 广播地址，则直接发送到由 IP 首部协议字段所指定的协议模块进行处理，否则进行判断：如果 IP 层被设置为路由器的功能，那么久对数据报进行转发，否则丢弃数据报。 路由表有一个默认表项，如果全部匹配失败则会按照默认表项发往默认的路由器。

4. 子网寻址

32 位的 IP 地址根据拆分方式不同划分为五类：

现在所有的主机都要求支持子网编址，他们将 A 类和 B 类地址中的主机号拆分成子网号和主机号两部分，如通常对于一个 B 类地址的 16 位主机号拆分成 8 位子网号 + 8 位主机号的形式，这样每个子网可以拥有 254 台主机，这样，对于点分十进制的表示，可以快速找到子网号，而实现中，子网号就是子网 IP 地址，这样在得到 IP 地址后，可以立即获得子网的 IP 地址。 使用子网的好处是他可以缩小 Internet 路由表的规模，路由表只需要保存目标地址的前 16 位即可。 用于子网寻址的路由器被称为 gateway，也就是网关，他根据目的 IP 地址找到子网号及对应的实际接口。

5. 子网掩码

由于对地址中的主机号的划分是依赖于实现的（虽然绝大部分实现是将 B 类地址的 16bit 主机号拆分成 8bit 子网号 + 8bit 主机号，但这并不绝对），因此主机需要知道哪些比特位被用作子网号，哪些比特位被用作主机号，因此子网掩码应运而生。 子网掩码是一个 32bit 的值，为 0 则意味着 IP 地址中的相应比特位被用于主机号，为 1 则意味着 IP 地址中的相应比特位被用于网络号及子网号。 上面说的将 B 类地址的 16bit 主机号拆分成 8bit 子网号 + 8bit 主机号的实现对应的子网掩码为：255.255.255.0。