服务器编程入门（2）IP协议详解

问题聚焦：

    IP协议是TCP/IP协议族的核心协议，也是socket网络编程的基础之一。这里从两个方面较为深入地探讨IP协议：

    1，IP头部信息（指定IP通信的源端IP地址，目的端IP地址，指导IP分片和重组，和指定部分通信行为）；2，IP数据包的路由和转发（发生在除目标机器之外的所有主机和路由器上）。

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1 特点

TCP/IP协议族的动力，为上层协议提供无状态，无连接，不可靠的服务

无状态：IP通信双方不同步传输数据的状态信息，因此IP数据包的发送、传输和接收都是无序的。

    缺点：无序，不可靠    

    优点：简单、高效

不可靠：不能保证IP数据报准确地到达接收端，它只是承诺尽最大努力。发送端（转发端）一旦检测到IP数据包发送失败（如存活时间过长，数据报不正确），就通知上层协议发送失败，而不会试图重传。

              因此使用IP服务的上层协议（如TCP协议）需要自己实现数据确认，超时重传等机制以达到可靠传输的目的

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2  IPV4头部结构

长度：通常为20字节。

结构：

 

 

字段解析:

1. 4位版本号：指定IP协议的版本，值为4。
2. 4位头部长度：标识该IP头部有多少个32bit（4字节）。IP头部最长是60字节。
3. 8位服务类型(TOS)：包括3位优先权字段，4位TOS字段（只有一位能置1，分别表示最小延迟、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用），和1位保留字段（必须置0）。
4. 16位总长度：指整个IP数据报的长度，以字节为单位，因此IP数据包的最大长度为65535。但由于MTU的限制，长度远超MTU的数据报都将被分片传输。
5. 16位标识：唯一地标识主机发送的每一个数据报。同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。
6. 3位标志字段：第一位保留，第二位"禁止分片"(超过MTU即被丢弃)，第三位"更多分片"，除了数据包的最后一个分片外，其他分片都要把它置1。
7. 13位分片偏移：分片相对原始IP数据报开始处的偏移。实际的偏移值是该值左移3位(乘8)后得到的，由于这个原因，每个IP分片的数据部分的长度必须是8的整数倍。
8. 8位生存时间(TTL)：是数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。发送端设置，经过一个路由器，该值就被减一，减为0则丢弃，返回一个ICMP差错报文。防止路由循环。
9. 8位协议：用来区分上层协议。ICMP：1；TCP：6；UDP：17。
10. 16位头部检验和：发送端填充，接收端对其使用CRC算法以检验IP数据报头部在传输过程中是否损坏。
11. 32位源端IP地址和目的端IP地址：标识数据报的发送端和接收端。
12. 可选字段：最长40字节，包括记录路由，时间戳，松散源路由选择，严格源路由选择。

数据报Demo分析：

 

字段解析：

十六机制数	十进制表示	IP头部信息
0x4	4	IP版本号
0x5	5	头部长度为5个4字节，即20字节
0x10		TOS字段分别为1000，表示最小延迟开启
0x003c	60	IP数据报总长度为60
0xa5d5		数据报的唯一标识
0x4		禁止分片
0x000		分片位移
0x40	64	生存时间为64跳
0x06	6	协议类型：TCP协议
0x96cf		头部校验和
0x7f000001		两个：分别表示源主机地址和目的主机地址

这个报是使用telnet远程登陆时抓去的，由此可见，telnet使用的是最小延时服务，默认使用传输层协议是TCP协议。IP数据报没有分片，因为没有携带任何应用程序数据。

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3 IP分片

分片原因：IP数据报的长度超过帧的MTU，将被分片传输

分片时机：可能发生在发送端，也可能发生在中转路由器上，而且可能在传输过程中被多次分片

重组时机：目标机器的内核的IP模块

分片和重组的信息：数据报标识，标志和片偏移。

MTU：以太网的MTU是1500字节。IP数据报的数据部分最多是1480字节。

下图表示一个数据长度为1481字节的ICMP报文被分片后的结果。

 

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4 IP路由

地位：核心任务

作用：决定发送数据报到目标机器的路径。

IP模块工作流程：由下图分析

 

从右向左分析：

• IP模块接收到来自数据链路层的IP数据报
• 对数据报头部做CRC校验
• 查看是否是发给本机
• 如果是发给本机则转交给上层应用
• 如果不是则转交给"数据报转发子模块"
• 如果不允许转发，则丢弃；允许转发则一些操作后交给"IP数据报输出子模块"
• 更新路由表，"计算下一跳路由"子模块计算下一跳路由
• 交给IP输出队列

路由表 

在机器上执行route命令，可以查看路由表，下面分析一个路由表实例

 

该路由表有两个记录，每个记录都有8个字段，现在分析一下这个路由表的八个字段的含义：

 

字段	含义
Destination	目标网络或主机
Gateway	网关地址，*表示目标和本机在同一个网络，不需要路由
Genmask	网络掩码
Flags	路由项状态标志： U： 活动的 H：目标是一台主机 G：目标是网关 D：重定向生成的 M：重定向修改过
Metric	路由距离，即达到指定网络所需的中转数
Ref	路由项被引用的次数
Use	被使用的次数
Iface	该路由项对应的输出网卡接口

由上边可以判断，demo中的第一个记录的目标地址是default，即所谓的默认路由项。在Flags字段，有一个G标志，说明路由的下一跳地址是网关，其地址是192.168.1.1。

第二条记录中，目标地址是192.168.1.0，指的是本地局域网。该路由项的网关地址为*，，说明数据报不需要路由中转，可以直接发送到目标机器。

IP路由机制：

路由表中的IP匹配分为三个步骤：

1. 查找路由表中和路由报的目标IP地址完全匹配的主机IP地址。如果找到，就使用该路由项，没有找到则转步骤2
2. 查找路由表中和数据报的目标IP地址具有相同网络ID的网络IP地址，如果找到，则使用该路由项，没有找到则转步骤3
3. 选择默认路由项，这通常意味着数据报的下一跳路由是网关

路由表更新：

动态路由更新协议：BGP（边际网关协议），RIP（路由信息协议），OSPF协议

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5 IP转发

数据报转发子模块对期望转发的数据报执行如下操作：

1. 检查数据报头部的TTL值，如果TTL值已经是0，则丢弃该数据报
2. 查看数据报头部的严格源路由选择项，如果该选项被设置，则检测数据报的目标IP地址是否是本机的某个IP地址，如果不是，则发送一个ICMP源站选路失败报文给发送端
3. 如果有必要，则给源端发送一个ICMP重定向报文，以告诉它一个更合理的下一跳路由器
4. 将TTL值减1
5. 处理IP头部选项
6. 如果有必要，则执行IP分片操作

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6 重定向

ICMP重定向报文

格式

 

ICMP重定向报文的类是是5

代码字段有4个可选值，用来区分不同的重定向类型，这里仅讨论主机重定向，其代码值为1

数据部分：提供引起重定向的IP数据报的源端IP地址；应该使用的路由器的IP地址

一般来说，主机只能接收ICMP重定向报文，路由器只能发送ICMP重定向报文

以一个实例作为重定向小结：

手动将机器ernest-laptop的网关设置成机器Kongming20

当ernest-laptop发送IP数据报给Kongming20时，Kongming20会将数据报转发给路由器

并且回一个ICMP数据报给ernest-laptop，告诉他后面的数据报直接发给路由器吧，那条路更好。

 

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参考资料：

《Linux高性能服务器编程》