[TOC] ## 概述 IP協議是TCP/IP協議族的動力，它為上層協議提供無狀態、無連接、不可靠的服務。 ## IP服務的特點 ### 無狀態 * 無狀態指的是IP通信雙方不同步傳輸數據的狀態信息，因此所有IP數據報的發送、傳輸和接收都是相互獨立、沒有上下文關系的。無法處理亂序和重復IP數據報。 * 接收端的IP模塊只要收到了完整的IP數據報（如果是IP分片的話，IP模將先執行重組），就將其數據部分（TCP報文段、UDP報文段或ICMP報文）上交給上層協議。 * 上層協議，面向連接的協議，比如TCP協議，則能夠自己處理亂序的、重復的報文段，它遞交給上層協議的內容絕對是有序的、正確的。 * IP數據包頭部提供了一個標識字段用以唯一標識一個IP數據，但它是用來處理IP分片和重組的，而不是用來指示接收順序的。 * 無狀態的服務的優勢是：簡單、高效。 ### 無連接 * 無連接是指IP通信雙方都不長久的維持對方任何信息。上層每次發數據時，都必須明確指定對方的IP地址。 ### 不可靠 * 不可靠是指IP協議不能保證IP數據準確的到達接收端，它只是盡最大的努力。 * 比如某個中轉路由器發現IP數據報在網絡上存活的時間太長了，那么他將丟棄，并返回一個ICMP錯誤消息（超時錯誤）給發送端， * 又比如，接收端收到的IP數據報不正確（校驗機制），它也將丟棄之，并返回一個ICMP錯誤消息（IP頭部參數錯誤）給發送端。 ## IPV4頭部結構 頭部長度通常是20字節，除非含有可選的變長部分。  4位版本號：指定IP協議的版本，對IPV4來說，其值是4。 4位頭部長度：標識該IP頭部有多少32bit（4字節）。因為4位最大能表示15，所以IP頭部最大是60字節。 8位服務類型：包括3位的優先權字段（現在已經被忽略），4位TOS字段和1位保留字段（必須置0）。4位TOS字段分別表示：最小延時，最大吞吐量。最高可靠性和最小費用。其中最多有一個能置為1，應用程序根據實際需要來設置它。 16位識別：唯一地標識主機發送的每一個數據報，其初識值系統隨機生成；沒發送一個數據報，其值就加1。 3位標志：第一位保留，第二位表示禁止分片。如果設置了改值，IP模塊就不能對數據分片。第三位表示更多分片，除了數據報的最后一個分片外，其他分片都要置為1。 13位分片偏移：是分片相對原始IP數據報開始出（僅指數據分）的偏移，每個IP分片數據部分的長度必須是8的整數倍。保證后面的IP分片有一個合適的偏移值。 8位生存時間（Time TO Live ，TTL）：是數據報到達目的地之前允許經過的路由器跳數。TTL常被發送端設置為64。 8位協議：用來區分上層協議，/etc/protocols文件定義了所有上層協議對應的protocol字段的數值。ICMP=1，TCP=6，UDP=17。 16位頭部校驗和：由發送端填充，接收端用CRC算法來檢驗IP數據報頭部在傳輸過程中是否損壞。 32位源端IP地址和32位目的端IP地址：用來標識發送端和接收端。 選項，最多40字節：可變長的可選信息。因為IP頭部最長是60字節。可用的IP選項包括： ``` 記錄路由 時間戳 松散源路由選擇 嚴格源路由選擇 ```  ## IP分片 當IP數據報的長度超過幀的MTU時。它將被分片傳輸。分片可能發生在發送端，也可能發生在中轉路由器中。 IP數據報中的如下三個字段給IP的分片和重組提供了足夠的信息：數據報標識、標志和片偏移。 一個IP數據報的每個分片都具有自己的IP頭部，他們具有相同的IP標識，但有不同的片偏移。并且除了最后一個分片外，其他分片都將設置MF標志，此外，每個分片的IP頭部的總長度字段將被設置為該分片的長度。 第一個分片的偏移量是0，第二個是1480，則說明第二個分片的偏移量是第一個分片的ICMP報文的長度。 以太網幀的MTU是1500字節（通過ifconfig或netstat查看） 因此它攜帶的IP數據包最多是1480字節（IP頭部占20字節） **考慮用IP數據報封裝一個長度為1481字節的ICMP（包括8字節的ICMP頭部，所以其數據部分長度為1473）。則該數據報在使用以太網幀傳輸的時候必須分片。** ``` sudo tcpdump -ntv -i en0 icmp ping baidu.com -s 1473 ``` 長度為1501字節的IP數據報被拆分成了兩個IP分片，第一個分片的長度為1500字節，第二個為21字節，每個分片都含有自己的IP頭部20字節。且第一個IP分片的IP頭部設置了MF標志，而第二個IP分片的IP頭部則沒有設置該標志。 ## IP路由 ## IP轉發 不是發送給本機的IP數據報將由數據報轉發子模塊來處理。路由器都能執行數據報的轉發操作，而主機一般只發送和接收數據，這是因為主機上/proc/sys/net/ipv4/ip_forward內核參數默認被設置為0，我們可以通過修改它來使主機有數據轉發功能。 數據報子模塊將對期望轉發的數據報執行如下操作： 1. 檢查數據報頭部的TTL值，如果TTL值已經是0，則丟棄該數據。 2. 查看數據報頭部的嚴格源路由選擇選項，如果該選項被設置，則檢測數據報的目標IP地址是否為本機的某個IP地址，如果不是，則發送一個ICMP源站選路失敗報文給發送端。 3. 如果有必要，則給源端發送一個ICMP重定向報文。告訴它一個更合理的下一跳路由器。 4. 將TTL減一。 5. 處理IP頭部選項 6. 如果有必要，則執行IP分片操作 ## 重定向 ICMP重定向報文也能用于更新路由表。 ICMP報文頭部的三個固定字段：8位類型、8位代碼和16位校驗和。 ICMP重定向報文的類型值是5，代碼字段有4個可選值，用來區分不同的重定向類型。 主機重定向，其代碼值為1。 ICMP重定向報文的數據部分含義明確，他給接收方提供了如下兩個信息。 * 引起重定向的IP數據報的源端IP地址 * 應該使用的路由器IP地址 ## IPV6頭部結構 IPV6頭部由40字節的固定頭部和可變長的擴展頭部組成。 4位版本號： 值為6 8位通信類型：指數據流通信類型或優先級，和IPV4中的TOS類似 20位流標簽：是IPV6新增的字段，用于某些對連接的服務質量有特殊要求的通信，比如音頻和視頻等實時數據傳輸 16位凈荷長度：指IPV6擴展頭部和應用程序數據長度之和，不包括固定頭部長度 8位下一個包頭：指出緊跟IPV6固定頭部后的包頭類型，如擴展頭或某個上層協議（比如TCP，UDP或ICMP），它類似于IPV4頭部中的協議字段，且相同的取值有相同的含義。 8位跳數限制：和IPV4中TTL含義相同 128位源端IP地址/128位目的端IP地址： 使得IP地址的總量達到了2的128次方。 32位表示IPV4地址一般用點分十進制來表示，而IPV6地址則用十六進制字符串表示。