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、IGMP都以IP数据报格式传输。

IP传输有以下特点：
1.不可靠性。IP传输不能保证IP数据报能成功的到达目的地。当发生某种错误时，IP有一个简单的错误处理算法:丢弃该数据报，然后发送ICMP消息到信号源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供。
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。一个信号源向另一个信号源发送A\B两条数据报，由于无连接的特性，所以可能选择不同的路由，A\B先后到达顺序不确定。

IP首部

IP数据报的格式如下图。普通的IP首部长度为20个字节。

IP首部

如图：最高位在左边，记为0bit；最低位在右边，记为31bit。

4字节的32bit值以下面的次序传输:首先是0_{7bit，其次8}15bit，然后16_{23bit，最后是24}32bit。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，必须在传输数据之前吧首部转换成网络字节序。

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

总长度字段是整个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。

总长度字段是IP首部中必要的内容，因为一些数据链路(如以太网)需要填充一些数据以到达最小长度。尽管以太网的最小帧长为46字节，但是IP数据可能会更短，没有总长度字段，IP层不知道46字节中有多少是IP数据报的内容。

标示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。它制定了数据报的生存时间。TTL的初始值有源主机设置，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。

协议字段可以用来对数据报进行分用。

首部校验和字段是根据IP首部计算的校验和码。ICMP、IGMP、UDP和TCP在他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IP检验和：首先吧检验字段置为0.然后，对首部中每个16bit进行二进制反码求和(整个首部看成是由一串16bit的字组成)，结果存在校验和字段中。当收到一份IP数据报后，同样对首部中每个16bit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校验和，因此，如果首部在传输过程中没有任何差错，那么接收方计算的结果应该为全1，如果结果不是全1(即校验和错误)，那么IP就丢弃收到的数据报，但是不生成差错报文，由上层发现丢失的数据报并进行重传。

每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址，它们是32bit的值。

最后一个字段是任选项，是数据报的一个可变长的可选信息。这些任选定义如下：
1.安全和处理了限制(用于军事领域)
2.记录路径(让每个路由器都记下它的IP地址)
3.时间戳(让每个路由器都记下它的IP地址和时间)
4.宽松的源站选路(为数据报指定一系列必须经过的IP地址)
5.严格的源站选路(与宽松的源站选路小相思，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址)
这些字段一直都是以32bit作为界限，必要时填充0的数据，保证IP首部始终是32bit的整数倍。

IP路由选择

对于主机来说:如果目的主机与源主机直接相连或都在一个共享网络上，那么IP数据报就直接发送到目的主机上。否则，主机吧数据报发送一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。

在一般的体制中，IP可以从TCP、UDP、ICMP和IGMP接受数据报并进行发送，或者从一个网络接口接受数据报并进行发送。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，它都要对表搜索一遍。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IP地址之一或者IP广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到有IP首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是这些地址，那么如果IP层被设置为路由器功能，那么对数据报进行转发；否则，数据被丢弃。

路由表中的每一项包含下面的这些信息:
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（如下所述）。主机地址有一个非0的主机号（见图1 - 5），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.下一站路由器的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。
3.标志。其中一个标志指明目的 I P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。
4.为数据报的传输指定一个网络接口。

IP路由选择是逐跳地进行的。从这个路由表信息可以看出，IP并不知道到达任何目的的完整路径(当然，除了和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站路由器的IP地址。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的。而且下一站路由器与该主机是直接连接的。

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想匹配的表目。如果找到，则把报文发送到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)。目的网络中的所有主机都可以通过这个表目来处置。
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。
如果上述步骤都没有成功，那么该数据报就不能被传送。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路由示例:
假设在同一个以太网上，两个主机之间有一个IP数据报需要发送，传输过程如图:

数据报从bsdi主机到sun主机的传输流程

当IP从某个上层收到这份数据报后，它搜索路由表，发现目的IP地址(140.252.13.33)在一个直接相连的网络上(以太网140.252.13.0)。于是，在表中找到匹配网络地址。
数据报被送到以太网驱动程序，然后作为一个以太网数据帧被送到sun主机上。IP数据报中的目的地址是sun的IP地址，而在链路层首部中的目的地址是48bit的sun主机的以太网接口地址。

假设bsdi有一份IP数据报要传到ftp.uu.net主机上，它的IP地址是192.48.96.9。经过的路由器如下图:

数据报从bsdi到ftp.uu.net传输流程

首先，主机bsdi搜索路由表，但是没有找到与主机地址或网络地址相匹配的表目，因此只能用默认的表目，把数据报传给下一站路由器，即主机sun。当数据报从bsdi被传到sun主机以后，目的IP地址使最终的信宿机地址(192.48.96.9)，但是链路层地址却是sun主机的以太网接口地址。
当sun主机接收到数据报后，它发现数据报的目的地址并不是本机的任一地址，而sun已被设置成具有路由器的功能，它会对数据报进行转发。经过搜索路由表，选用了默认表目，根据默认表目，它把数据转发到下一站路由器netb，该路由器的地址是140.252.1.183。数据报是经过点对点SLIP链路呗传送的。
当netb收到数据报后，它执行与sun主机相同的步骤:数据报的目的地址不是本机地址，而netb也被设置成具有路由器的功能，它也对该数据进行转发。才用的也是默认路由表目，把数据包送到下个路由器gateway(140.252.1.4).位于以太网140.252.1上的主机netb用ARP获得对应于140.252.104.2的48bit以太网地址。这个以太网地址就是链路层数据帧头上的目的地址。

这个例子中有一些关键点：
1.例子中，所有的主机和路由器都是用了默认路由。事实上，大多数主机和一些路由器可以用默认路由来处理任何目的。除非它在本地局域网上。
2.数据报中的目的IP地址始终不发生任何改变，所有的路由选择决策都是基于这个目的IP的。
3.每个链路层可能具有不同的数据帧首部，而且链路层的目的地址（如果有的话）始终指的是下一站的链路层地址。

子网寻址

如今所有的主机都要求支持子网编码。将IP地址看做网络号+子网号+主机号。原因是因为A类和B类地址为主机号分配了太多的空间。

示例：

B类地址的一个子网编值

如图一个B类地址，在剩下的16bit中，8bit用于子网号，8bit用于主机号。这样就可以拥有254个子网，每个子网可以有254个主机。

子网对外部路由器来说隐藏了内部网络组织的细节。子网划分缩减了路由表的规模。

子网掩码

任何主机在引导时进行的部分配置时指定主机IP地址。大多数系统把IP地址存在一个磁盘文件里供引导时读用。
除了IP地址以外，主机还需要知道有多少比特用于子网号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。这个掩码是一个32bit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。

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)本网络中其他子网的主机;
3)其他网络上的主机。
如果知道本机的 I P地址，那么就知道
它是否为A类、B类或C类地址(从I P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。

ifconfig命令

ipconfig命令一般在引导时运行，以配置主机每个接口

netstat命令

netstat命令提供系统上的接口信息

IP的未来

IP方面主要存在的三个问题:
1)超过半数的B类地址已经被分配
2)32bit的IP从长期的Internet增长角度来看，一般是不够用的。
3)当前的路由接口没有层次结构，属于平面型结构，每个网络都需要一个路由表目。