畢業設計之路(4)——IP協議

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IP協議

IP協議是TCP/IP協議棧的核心。它提供的服務有：數據傳輸；封裝多種上層協議；提供路由及傳輸信息；信息報交換技術等等。

下面具體說明這幾種服務。

• 數據傳輸：IP協議提供一種無鏈接的、不可靠的數據傳輸。它不能保證對方可以成功接收，也不維護數據前、後之間的連續性，也就是說數據報不排序。IP協議與底層的鏈路層協議或物理層無關。在傳送過程當中，IP協議還支持分段和從新彙編，如在一些IP報長度大於MTU的狀況下，能夠經過對IP報分段的方法進行跨媒體傳輸。
• 封裝多種上層協議：IP協議是上層協議的載體，TCP、UDP、ICMP、IGMP等協議都是以IP報的形式進行傳輸的。每個IP報只能包含一個上層協議，IP報的報頭有一條信息就是上層協議的類型。連個節點之間對具體的數據交換始終使用相同的協議，因此沒必要指出源協議和目標協議。
• 提供路由及傳輸信息：IP協議是一種路由選擇協議，IP報頭包含傳送信息的資料，如目標IP、源IP等，由於IP地址包含了網絡地址網絡地址和節點地址等信息，因此它能夠很方面地實現數據傳送和路由，另外它還有路由次數的信息——生存時間，用於限制路由次數。
• 信息報交換技術：在IP報路由的過程當中可能會發生，從節點1到節點2可能有幾個路徑，從1發送到2的數據極可能到達的時間不一，次序卻亂了。這種狀況下，IP路由器結合ICMP協議能夠減小這種問題。IP的MTU與底層的協議有關，如以太網協議下是1500字節，FDDI時使4352字節，幀中繼時是1600字節。IP在進行跨媒體傳輸時能夠進行分段傳輸，就是由大MTU到小MTU網絡傳輸時把大MTU的IP報分紅幾個小MTU的IP報來傳輸。由於分段傳輸很是佔資源，因此在嵌入式應用中基本不會用到，通常的方法是把MTU的值設小，使其在任何網絡接口協議中都能用。
• IP數據報：IP報是由報頭和負載組成的。報頭的長度範圍爲20~60字節，有效負載範圍爲8~65515字節。
• IP報頭：如今分爲第4版和第6版，第6版尚未徹底推廣，因此介紹第4版的IP協議。

IP報結構以下：

• 版本：長度爲4位，表示該IP報的版本號。目前使用的基本都是標準IP版本的第4版。即IPv4。
• IP報頭長度：長度爲4位，表示IP報頭的大小。數值範圍是0x5~0xF，它是表示4的倍數的值。如最小的IP報頭長度是20，它能夠表示爲0x5。最大的IP報頭長是60，它能夠表示爲0xF。IP報頭的大小始終是4的倍數。
• 服務類型：長度爲1字節，表示路由器傳遞數據報時所使用的服務質量。服務類型也稱爲TOS，第5~7位表示優先權，不一樣的值表示不一樣的優先權。默認狀況下設爲000；第4位是延時，爲0是普通模式，爲1是低延時模式（就是延時少），通常用於聲音圖形的傳播和一些交互性數據傳播；第3位是吞吐量，爲0是正常模式，爲1是高吞吐量模式（就是數據量大），這時路由器會選擇帶寬高的路徑來傳輸；第2位是可靠性，爲0是正常模式，爲1是高可靠性，在數據堵塞時，路由器先把爲0的數據丟掉，最後把爲1的數據丟掉；第一位是費用性，爲0是正常模式，爲1是低費用，若是是1，路由器就不會選擇衛星線路等昂貴的方式進行傳輸；第0位是保留位，爲0，通常默認狀況下該字段爲0x00.
• 總長度：長度爲2字節，表示該IP報的總長度（IP報頭+有效負載）。它最大能夠表示爲65535字節，這與IP的MTU有關，如以太網寫一下最大是1500字節，FDDI時最大是4352字節。
• 標示符：長度爲2字節，表示IP報的號碼，它是一個隨機數，但連續的IP數據報標識符是遞增的，它還能夠用於標識IP數據報的分段。
• 標識：長度爲3位，它們都與分段有關，因此也叫分段標誌。最高位是保留位，爲0，第2位是分段標誌位，也稱爲DF爲，爲0是分段，爲1是不分段。最低位是更多段標誌位，也稱爲MF位，爲1表示該分段尚未結束，後面的一個IP數據報仍是屬於本分段的一個報，在接收到爲0的IP數據報時表示該分段結束。其實，分段是一個很是耗費資源的過程，應該儘可能避免分段，能夠經過ICMP協議獲取網絡IP的MTU，這樣就能夠限制包發送的大小從而避免分段。
• 分段偏移量：長度是13位，也是與分段有關，它的值等於分段的數據相對該完整數據幀的起始位置。如一個長的IP數據幀，有效負載是1500字節，可是要分段，分3段，第一段長度是500，它的偏移量爲0，DF=0，MF=1,；第二段長度也是500，它的偏移量就變成了500，DF=0，MF=1；第三段長度仍是500，它的偏移量就變成了1000，DF=0，MF=0.注意這3個分段的標識符是相等的。
• 生存週期：長度是1字節。也叫TTL，表示IP數據報被丟棄前能夠通過多少個IP路由器，即被轉發的次數。該值沒轉發一次減1，在TTL=0時，IP數據報就會被丟掉。被丟掉後IP路由器會返回一個ICMP的時間超時報。要使IP數據報在internet上傳輸不被丟掉，必須保證TTL大於通過IP路由器的數目。
• 協議：長度是1字節，表示有效負載內包含上層協議的類型，如TCP是6，UDP是7，ICMP是1，IGMP是2等等。
• 信息頭校驗和：長度2字節，它僅檢查IP報頭。它把整個IP報頭看做是由多個16位的數據組成（如IP報頭是28字節，等於由14個16的數據組成），並把它們進行二進制反碼求和，結果就是信息頭校驗和。在校驗前先把信息頭校驗和清0，在通過每一個IP路由器時TTL都要減1，因此信息頭檢驗和都要從新計算。
• 源IP地址：長度4字節，指本節點的IP地址。
• 目標IP地址：長度4字節，指目標節點的IP地址。
• IP選項和填充字符。長度是4字節的增長，具體長度不定，通常長度是0.