【计算机网络】IP协议第一讲（协议格式介绍）

2023-09-14 14:30:00

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IP协议


首先明确一个概念：TCP/IP协议是配合使用的，TCP负责可靠传输策略，IP则是负责传输，TCP协议是位于传输层提供的是策略解决可靠性问题，IP 协议在网络层，提供的是网络传输服务，实现A主机到B主机的跨网络通信服务，并不管可不可靠，TCP+IP公共配合：可靠地将A主机数据传给B主机。

1.协议头格式

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1.1 概念介绍

  • 4位版本号(version): 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.
  • 4位头部长度(header length): IP头部的长度是多少个32bit, 也就是 length * 4 的字节数. 4bit表示最大的数字是15, 因此IP头部最大长度是60字节.
  • 8位服务类型(Type Of Service): 3位优先权字段(已经弃用), 4位TOS字段, 和1位保留字段(必须置为0).
  • 4位TOS分别表示: 最小延时, 最大吞吐量, 最高可靠性, 最小成本. 这四者相互冲突, 只能选择一个. 对于ssh/telnet这样的应用程序, 最小延时比较重要; 对于ftp这样的程序, 最大吞吐量比较重要.
  • 16位总长度(total length): IP数据报整体占多少个字节.
  • 16位标识(id): 唯一的标识主机发送的报文. 如果IP报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个id都是相同的.
  • 3位标志字段: 第一位保留(保留的意思是现在不用, 但是还没想好说不定以后要用到). 第二位置为1表示禁止分片, 这时候如果报文长度超过MTU, IP模块就会丢弃报文. 第三位表示"更多分片", 如果分片了的话,最后一个分片置为1, 其他是0. 类似于一个结束标记.
  • 13位分片偏移(framegament offset): 是分片相对于原始IP报文开始处的偏移. 其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的. 因此, 除了最后一个报文之外, 其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了).
  • 8位生存时间(Time To Live, TTL): 数据报到达目的地的最大报文跳数. 一般是64. 每次经过一个路由, TTL-= 1, 一直减到0还没到达, 那么就丢弃了. 这个字段主要是用来防止出现路由循环
  • 8位协议: 表示上层协议的类型
  • 16位头部校验和: 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏.
  • 32位源地址和32位目标地址: 表示发送端和接收端.

1.2补充说明

16位标识+3位标记+13位片偏移：
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1.2.1 8位生存时间—TTL

TTL（Time To Live）是IPv4和IPv6网络通信中的一个重要字段，用于控制数据包在网络中的生存时间。TTL的作用是防止数据包在网络中无限制地循环传输，从而防止网络中的数据包永远无法被丢弃，占用网络资源。

TTL的工作原理如下：

发送方创建一个数据包，并在数据包的IP头部中设置TTL的初始值。
数据包被发送到目标设备。
每当数据包经过一个路由器或网络设备时，TTL的值就会减少1。
当TTL的值达到零时，路由器或网络设备会丢弃数据包，并向发送方发送一个ICMP时间超过（Time Exceeded）消息，告知发送方数据包已经超过了生存时间限制。
通过TTL，网络可以防止数据包在网络中永无止境地传递，从而避免网络拥塞和资源浪费。TTL的典型单位是跳数（hops），每经过一个路由器或网络设备，TTL的值减少1，直到达到零。

以下是一个TTL的简单示例：

假设有一台计算机A发送一个数据包到计算机B，数据包经过3个路由器，然后到达计算机B。

计算机A将TTL设置为8，并发送数据包。
数据包到达第一个路由器，TTL减少为7。
数据包到达第二个路由器，TTL减少为6。
数据包到达第三个路由器，TTL减少为5。
数据包到达计算机B。
如果TTL的初始值太小，数据包可能在达到目的地之前被丢弃。因此，设置TTL的初始值是一个重要的网络配置参数，通常需要根据网络的复杂性和跳数来调整。

1.2.2 16位首部检验和

16位首部校验和（Header Checksum）是在IPv4协议中用于检测IP首部完整性的一种机制。IPv4首部校验和涉及到首部字段的校验，而不包括数据部分（通常是传输层报文的部分）。它用于确保在IP数据包传输过程中首部信息没有被损坏或篡改。

IPv4首部校验和的计算过程如下：

将IPv4首部的各个字段划分为多个16位字（两个字节）。
对这些16位字进行二进制求和。
将上述二进制求和的结果进行溢出回卷操作，即将高16位与低16位相加。
将结果取反得到校验和值，然后将其填充到IPv4首部的校验和字段中。
当数据包在传输过程中经过路由器或网络设备时，这个校验和字段会被用来检验首部是否受损。如果首部在传输过程中发生了任何变化，校验和将无法正确匹配，这时数据包会被丢弃。

注意以下几点：

IPv4首部校验和仅检查IPv4首部字段的完整性，不涉及数据部分（负载）。
IPv4首部校验和是端到端的校验，只有源和目标主机才会执行校验和的计算和验证。
IPv4首部校验和是可选的，IPv6协议已经废弃了这个字段。
国际互联网
总之，IPv4首部校验和是一项用于保证IP首部完整性的重要机制，有助于检测传输过程中可能发生的首部损坏或篡改。

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