TCP/IP 详解(卷一) IP：网际协议

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。IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务。
不可靠（unreliable）的意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，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）。
无连接（connectionless）这个术语的意思是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。这也说明，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，然后是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。

IP首部

普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。

4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7bit，其次8～15 bit，然后16～23 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，因此它又称作网络字节序。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。

目前的协议版本号是4，因此IP有时也称作IPv4。

首部长度指的是首部占32 bit字的数目，包括任何选项。由于它是一个4比特字段，因此首部最长为60个字节。

服务类型（TOS）字段包括一个3bit的优先权子字段（现在已被忽略），4bit的TOS子字段和1bit未用位但必须置0。4bit的TO S分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4bit中只能置其中1bit。如果所有4bit均为0，那么就意味着是一般服务。
对不同应用建议的TOS值:

总长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段，就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16比特，所以IP数据报最长可达65535字节（回忆图2-5，超级通道的MTU为65535。它的意思其实不是一个真正的MTU—它使用了最长的IP数据报）。当数据报被分片时，该字段的值也随着变化。

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。

TTL（time-to-live）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。

协议字段被IP用来对数据报进行分用。根据它可以识别是哪个协议向IP传送数据。

首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码。它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检验和码。

为了计算一份数据报的IP检验和，首先把检验和字段置为0。然后，对首部中每个16 bit进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串16 bit的字组成），结果存在检验和字段中。当收到一份IP数据报后，同样对首部中每个16 bit进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，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。如果结果不是全1（即检验和错误），那么IP就丢弃收到的数据报。但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。

ICMP、IGMP、UDP和TCP都采用相同的检验和算法，尽管TCP和UDP除了本身的首部和数据外，在IP首部中还包含不同的字段。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检验和，而不需要对IP整个首部进行重新计算。

每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址。它们都是32 bit的值。

最后一个字段是任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。目前，这些任选项定义如下：

安全和处理限制（用于军事领域，详细内容参见RFC 1108[Kent 1991]）
记录路径（让每个路由器都记下它的IP地址，见7.3节）
时间戳（让每个路由器都记下它的IP地址和时间，见7.4节）
宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的IP地址，见8.5节）
严格的源站选路（与宽松的源站选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址）。

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。

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。这样就保证IP首部始终是32 bit的整数倍（这是首部长度字段所要求的）。

IP 路由选择

路由表中的每一项都包含下面这些信息：

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（如下所述）。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）。
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。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。下一站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。
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。
为数据报的传输指定一个网络接口。

IP路由选择主要完成以下这些功能：

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）。
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）。目的网络上的所有主机都可以通过这个表目来处置。例如，一个以太网上的所有主机都是通过这种表目进行寻径的。这种搜索网络的匹配方法必须考虑可能的子网掩码。关于这一点我们在下一节中进行讨论。
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。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。

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。默认路由，以及下一站路由器发送的ICMP间接报文（如果我们为数据报选择了错误的默认路由），是IP路由选择机制中功能强大的特性。

子网寻址

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。
这样做的原因是因为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$2^{16}-2$。

子网掩码

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。