网际协议IP学习笔记

概述

分析数据包的时候常常遇到对IP首部的分析，故把比较重要的知识记下来。

IP数据报格式及首部中的各字段

普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。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大端字节序，因此它又
称作网络字节序。

现对IP首部字段作说明:

• 占4个位的版本用以说明使用的IP协议版本号，目前使用最多的是版本号4,因此有时也称为IPv4。IPv4即将面临不够用的情况，因此
  出现了IPv4的升级版IPv6.

• 4位首部长度指的是首部占32bit子的数目，包括任何选项。由于它是一个4比特字段，最大值表示为(0b)1111,即十六进制0xF,十进制
  为15, 32bit是4字节，所以首部最长为15 * 4 = 60字节。普通IP数据报(没有任何选择项)字段的值是5,即20字节。

• 8位的服务类型(TOS)字段包括一个3bit的优先权字段(现在已被忽略)，4bit的TOS子字段和1bit未用位但必须置0。4bit的TOS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。比如
  Telnet的4bit的TOS值表示为1000,即要求Telnet是最小时延，加上1bit未用位但必须置0的位，那么Telnet的TOS值的十六进制为
  0x10,如果用tcpdump抓包分析的时候会看到相应的十六进制输出。不过现在大多数的TCP/IP实现都不支持TOS特性，即使设置了相
  应的位表示，最终还是看路由器执行与否。

• 16位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(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。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达到最小长度。尽管以太网的最小帧长为46字节，但是IP数据可能会更短。如果没有总长度
  字段，那么IP层就不知道46字节中有多少是IP数据报的内容。

• 16位的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。以后再详细补充。

• 3位标志字段以后再详细补充。

• 13位片偏移字段以后再详细补充。

• 8位TTL生存时间字段最大值为255,该字段设置了数据报可以经过的最多路由数，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。

• 8位的协议字段用来表示它如何被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，其中1表示ICMP协议，
  2表示IGMP协议，6表示TCP协议，17表示UDP协议。

• 16位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。

• 32位的源IP地址和目的IP地址这个比较好理解，每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址，它们都是32bit的值。

IP路由选择

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，它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时，IP首先检查
目的IP地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。如果确实是这样，数据报就被送到由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(1) 如果IP层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发(也就是说，像下面对待发出的
数据报一样处理)；否则(2)数据报被丢弃。

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。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路由选择是逐跳地(hop-by-hop)进行的。从这个路由表信息可以看出，IP并不知道到达目的的完整路径(当然，除了那些与主机直接相连
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地址更接近目的，而且
下一站路由器与该主机直接相连的。

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。

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。

如果上面这些步骤都没有成功，那么该数据报就不能被发送。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。