IP协议

二.IP协议

2.1 引言
2.2 概述
2.3 IP分类
2.4 IP 数据报格式
2.5 IP路由选择
2.6 子网寻址
2.7 地址解析协议 ARP
2.8 网际控制报文协议 ICMP
    1. Ping
    2. Traceroute

二.IP协议
2.1 引言

IP协议在OSI七层协议中位于网络层，在物理层和链路层之上，本文的研究范围为网络层到应用层之间的上层协议，对下层协议暂不研究。所以就以IP层为切入点，
网络层是整个互联网的核心，使用 IP 协议，可以把异构的物理网络连接起来，使得在网络层看起来好像是一个统一的网络。

2.2 概述

​ I P是T C P / I P协议族中最为核心的协议。所有的 T C P、U D P、I C M P及I G M P数据都以I P数据 报格式传输 ；IP数据报传送 服务 具有不可靠性、无连接性。

不可靠（u n r e l i a b l e） ：的意思是它不能保证 I P数据报能成功地到达目的地。 I P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， I P有一个简单的错误 处理算法：丢弃该数据报，然后发送 I C M P消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来 提供（如T C P）
无连接（c o n n e c t i o n l e s s）这个术语的意思是 I P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， I P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。

与 IP 协议配套使用的还有三个协议：
    地址解析协议 ARP（Address Resolution Protocol）
    网际控制报文协议 ICMP（Internet Control Message Protocol）
    网际组管理协议 IGMP（Internet Group Management Protocol）

2.3 IP分类

I P地址长为32 bit，地址具有一定的结构，五类不同 的互联网地址格式下

2. 各类IP地址的范围
   类型 范 围
   A 0.0.0.0到127.255.255.255
   B 128.0.0.0到191.255.255.255
   C 192.0.0.0到223.255.255.255
   D 224.0.0.0到239.255.255.255
   E 240.0.0.0到247.255.255.255

3. 有三类I P地址：
   单播地址（目的为单个主机）
   广播地址（目的端为给定网络上的所有主 机）
   多播地址（目的端为同一组内的所有主机）

2.4 IP 数据报格式

ip地址长度为32bit，普通的I P首部长为2 0个字节。

1. 8位生存时间TTL

   T T L（t i m e - t o - l i v e）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。T T L的初始值由源主机设置（通常为 3 2或6 4），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 I C M P报文通知源主机。

2. 16位手部检验和

   用于验证传送数据报和接受数据报的差异。首先把检验和字段置为 0。 对首部中每个 16 bit 进行二进制反码求和 ，结果存在检验和字段中 。收到数据报后再对首部进行计算，相同就把检验和字段置为 1，不同那么I P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。

3. 总长度：占用16位二进制位，总长度字段是指整个IP数据报的长度（报头区+数据区）

2.5 IP路由选择

当一个IP数据包准备好了的时候，IP数据包(或者说是路由器)是如何将数据包送到目的地的呢?它是怎么选择一个合适的路径来"送货"的呢?

1. 最特殊的情况是目的主机和主机直连，那么主机根本不用寻找路由，直接把数据传递过去就可以了。至于是怎么直接传递的，这就要靠ARP协议了，后面会讲到。

2. 稍微一般一点的情况是，主机通过若干个路由器(router)和目的主机连接。那么路由器就要通过ip包的信息来为ip包寻找到一个合适的目标来进行传递，比如合适的主机，或者合适的路由。路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个IP数据包
    1. 如果IP数据包的TTL(生命周期)以到，则该IP数据包就被抛弃。
    2. 搜索路由表，优先搜索匹配主机，如果能找到和IP地址完全一致的目标主机，则将该包发向目标主机
    3. 搜索路由表，如果匹配主机失败，则匹配同子网的路由器，这需要“子网掩码(1.3.)”的协助。如果找到路由器，则将该包发向路由器。
    4. 搜索路由表，如果匹配同子网路由器失败，则匹配同网号(第一章有讲解)路由器，如果找到路由器，则将该包发向路由器。
    5. 搜索陆游表，如果以上都失败了，就搜索默认路由，如果默认路由存在，则发包
    6. 如果都失败了，就丢掉这个包。

这再一次证明了，ip包是不可靠的。因为它不保证送达。

2.6 子网寻址

IP地址的定义是网络号+主机号。但是现在所有的主机都要求子网编址，也就是说，把主机号在细分成子

网号+主机号。最终一个IP地址就成为 网络号码+子网号+主机号。
    下面就是一个B类地址：

    B类网络地址 （1 4 0 . 2 5 2），在剩下的16 bit中，8 bit用于子网号，8 bit用于主机号。这样就允许有

    2 5 4个子网，每个子网可以有2 5 4台主机。 （8位一共有256种可能，由于全0或全1的主机号都是无效的， 所以就有254种可能）。

2.7 地址解析协议 ARP

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

网络层实现主机之间的通信，而链路层实现具体每段链路之间的通信。因此在通信过程中，IP 数据报的源地址和目的地址始终不变，而 MAC 地址随着链路的改变而改变。

ARP 实现由 IP 地址得到 MAC 地址。

每个主机都有一个 ARP 高速缓存，里面有本局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到 MAC 地址的映射表。

如果主机 A 知道主机 B 的 IP 地址，但是 ARP 高速缓存中没有该 IP 地址到 MAC 地址的映射，此时主机 A 通过广播的方式发送 ARP 请求分组，主机 B 收到该请求后会发送 ARP 响应分组给主机 A 告知其 MAC 地址，随后主机 A 向其高速缓存中写入主机 B 的 IP 地址到 MAC 地址的映射。

2.8 网际控制报文协议 ICMP

1. I C M P经常被认为是 I P层的一个组成部分。它传递差错报文以及其他需要注意的信息。 I C M P报文通常被I P层或更高层协议（ T C P或U D P）使用。一些 I C M P报文把差错报文返回给 用户进程。

2. 当传送IP数据包发生错误－－比如主机不可达，路由不可达等等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会，这 也就是为什么说建立在IP层以上的协议是可能做到安全的原因。ICMP数据包由8bit的错误类型和8bit的代码和16bit的校验和组成。而前 16bit就组成了ICMP所要传递的信息。书上的图6－3清楚的给出了错误类型和代码的组合代表的意思。

3. 尽管在大多数情况下，错误的包传送应该给出ICMP报文，但是在特殊情况下，是不产生ICMP错误报文的。如下 :(所有的这一切规定，都是为了防止产生ICMP报文的无限传播而定义的。 )

   ICMP差错报文不会产生ICMP差错报文（出IMCP查询报文）（防止IMCP的无限产生和传送）
   目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报。
   作为链路层广播的数据报。
   不是IP分片的第一片。
   源地址不是单个主机的数据报。这就是说，源地址不能为零地址、环回地址、广播地 址或多播地址。

4. ICMP协议大致分为两类，一种是查询报文，一种是差错报文。其中查询报文有以下几种用途 :

   ping查询
   网掩码查询（用于无盘工作站在初始化自身的时候初始化子网掩码）
   时间戳查询（可以用来同步时间)。
   
   ICMP 报文分为差错报告报文和询问报文。
   

5. Ping

Ping 是 ICMP 的一个重要应用，主要用来测试两台主机之间的连通性。

Ping 的原理是通过向目的主机发送 ICMP Echo 请求报文，目的主机收到之后会发送 Echo 回答报文。Ping 会根据时间和成功响应的次数估算出数据包往返时间以及丢包率。
2. Traceroute

Traceroute 是 ICMP 的另一个应用，用来跟踪一个分组从源点到终点的路径。

Traceroute 发送的 IP 数据报封装的是无法交付的 UDP 用户数据报，并由目的主机发送终点不可达差错报告报文。

源主机向目的主机发送一连串的 IP 数据报。第一个数据报 P1 的生存时间 TTL 设置为 1，当 P1 到达路径上的第一个路由器 R1 时，R1 收下它并把 TTL 减 1，此时 TTL 等于 0，R1 就把 P1 丢弃，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报告报文；
源主机接着发送第二个数据报 P2，并把 TTL 设置为 2。P2 先到达 R1，R1 收下后把 TTL 减 1 再转发给 R2，R2 收下后也把 TTL 减 1，由于此时 TTL 等于 0，R2 就丢弃 P2，并向源主机发送一个 ICMP 时间超过差错报文。
不断执行这样的步骤，直到最后一个数据报刚刚到达目的主机，主机不转发数据报，也不把 TTL 值减 1。但是因为数据报封装的是无法交付的 UDP，因此目的主机要向源主机发送 ICMP 终点不可达差错报告报文。
之后源主机知道了到达目的主机所经过的路由器 IP 地址以及到达每个路由器的往返时间。

作者：zpoison
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/zpoison/article/details/86528327
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