IP数据报

IP 数据报由⾸部和数据两部分组成：

⾸部的前⼀部分是固定⻓度，共 20 字节；

⾸部的固定部分的后⾯是⼀些可选字段，其⻓度是可变的。

版本：占 4 位，指 IP 协议的版 本。⽬前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4)。

 

⾸部⻓度：占 4 位，可表示的最 ⼤数值是 15 个单位(⼀个单位为 4 字节)。IP 的⾸部⻓度的最⼤值 是 60 字节。⼀般IP⾸部仅有固 定部分20字节。

 

区分服务：指明期望获得哪种类型的服务（该字段一直未被使用过）。

 

总⻓度：占 16 位，⾸部 + 数据，单位为字节，数据报的最⼤⻓度 为 65535 字节。但实际上总长度不会超过数据链路中的MTU。如果发生IP数据报分片，则总长度字段等于每个分片的首部长度和数据长度的总和。

 

标识：是⼀个计数器，⽤来产⽣ IP数据报标识。一个IP数据报可能分成多个分片，所有IP分⽚的标 识与原始IP标识⼀致，便于接收 方还原原始IP数据报。

 

标志：占3位，最⾼位⽆意义。

中间位DF（Don’t Fragment）：

• DF=1，不允许分⽚；

• DF=0，允许分⽚。

最低位MF（More Fragment）：

• MF=1，后⾯还有分⽚；

• MF=0，这是最后⼀⽚。

 

⽚偏移：占13位，某⽚在原始IP中的 相对位置，以8字节为单位。

 

⽣存时间：占8 位，记为 TTL (Time To Live)，指示数据报在⽹络中可通 过的路由器数的最大次数（称为跳数），TTL是为了防止无法交付的数据报无限制的在互联网中兜圈子，白白消耗网络资源。路由器收到 IP数据报后，将TTL减1，减1之后 TTL值若变为0，路由器丢弃该IP数 据报。并向源端报超时错误。默认最大跳数为255。若报文的初始TTL设为1，表示该IP数据包只能在本局域网中传输。

 

协议：占8 位，指出此数据报携带的 数据使⽤何种协议（TCP或UDP），以便⽬的主机 的 IP 层将数据部分，上交给那个处 理过程。

 

⾸部检验和：占16 位，只检验数据报的 ⾸部，不检验数据部分。这⾥不采⽤ CRC 检验码⽽采⽤简单的计算⽅法（即首部分为多个16位串求和取反）。

 

地址：源地址和⽬的地址都各占 4 字 节。

 

IP数据报分片

MTU是由局域网的链路决定的，一个局域网内的MTU相同，不同网络的MTU可能不同。

下面是一个数据包经过多个链路的分片过程：

一个数据报长6558字节，数据部分65538字节，链路1的MTU = 1480，主机A对数据报分片情况如下：

 

分片1~5到达路由器M后，在输出链路之前还要对分片再分片（MTU = 800）。

 

 

 

IP层转发分组过程

路由器转发遵循2个原则：基于终点转发、最长前缀匹配。

 

基于终点转发

路由表是根据数据报首部的目的IP地址查路由表找到下一跳的接口进行转发的。

为了压缩路由表的行数，路由表不记录所有目标（全球范围）的主机地址，而是记录目标的网络地址。查路由表不直接查目的主机，而是查目的网络。

举一个例子

主机H1发送一个数据报给H2。

1、判断H2的IP是否在本网络中，具体做法：通过将H1所在网络N1的网络地址（128.1.2.0/26 ）的子网掩码（255.255.255.192）与H2的IP地址（128.1.2.132）进行&运算。

如果得到的结果res 等于 N1的网络号（或者说等于N1的网络地址，或者说等于H1的网络地址），说明H2和H1在同一个网络里面，此时无需经过路由器转发，只需要H1使用ARP协议询问到H2的MAC地址，然后H1封装包含数据的MAC帧，由交换机转发给同一链路的H2即可。

 

2、一个网络的默认网关是这个网络相连的众多路由器中的一个，这里假定N1的默认网关路由器是路由器R1（128.1.2.1）。

H1通过ARP获取 128.1.2.1这个IP的MAC地址。报文通过交换机传到R1。

3、R1根据报文的目的IP与它路由表里的每一行记录的网络号（网络前缀）一一匹配，所谓的匹配其实还是用 目的IP与这些网络号的掩码一一做&运算得到res，看res是否等于这行的网络号。每行的网络号就代表一个网络，每行都做&运算相当于在问每个网络，这个目的IP在不在你们这些网络里。

目的IP是 128.1.2.132。

与第一行匹配

128.1.2.132 & 255.255.255.192 = 128.1.2.128 ≠ 128.1.2.0

与第二行匹配

128.1.2.132 & 255.255.255.128 = 128.1.2.128 = 128.1.2.128

所以与第二行匹配成功，第二行的下一跳没有，是直接交付接口1，即R1的接口1是连着128.1.2.128/25这个网络的。R1将报文交付给H2（ARP广播找到H2的MAC地址，更换原报文的目标MAC地址，交给交换机转发该报文给H2）。

4、假如H1是要发送数据给H3而不是H2呢？那么报文到达R1之后，查路由表发现第3行匹配。于是报文转发给128.1.2.254这个路由器R2转发。

 

两个问题：如果路由表匹配结果有多个怎么办（答：使用最长前缀匹配原则）？一个都没匹配到怎么办（答：走默认路由）？

 

 

最长前缀匹配

在查找路由表时可能会得到不⽌⼀个匹配结果：

应当从匹配结果中选择具有最⻓⽹络前缀的路由，⽹络前缀越⻓，其地址块就越⼩，因⽽路由就越具体 。

下面是一个最长匹配的实例：

目标地址 206.0.71.130 和 两个路由网络地址206.0.68.0/22、206.0.71.128/25 都能成功匹配，此时应该选择 206.0.71.128/25 这个路由作为下一跳，因为它的网络号长25位，比206.0.68.0/22的网络号长。

其实不是说走 206.0.68.0/22这个路由到不了目的主机，而是可能要多经过几条链路和路由器的转发，因为206.0.68.0/22这个网络的范围更大。

为了更加迅速的查找转发表，可以按照前缀的长短排序，长的放前面，前缀最长的排在第一行，只要匹配到就肯定是最精确的，无需再往下匹配。

 

 

主机路由

前面我们说，路由表索引字段记录的都是网络号，根据网络号给目标IP匹配下一跳。

其实索引字段也可以是特定的某一个主机（即/32的IP地址），这样的路由称为主机路由（特定主机路由）。如下所示，红色的就是主机路由，黑色部分是网络路由：

 

采⽤特定主机路由有2个用途(知道即可，不是重点）：

1、测 试这条⽹络链路能够走通，以及性能如何。

R2到目标主机10.0.0.10/32可能有5条链路，但我就希望R2选择下一跳为20.0.0.1这条链路，测试一下这条链路的性能。

2、考虑某种安全问题时采⽤这种特定主 机路由。

怕报文走其他链路会被拦截和攻击，因此指定 10.0.0.10/32这个主机只走下一跳为20.0.0.1这条更安全的链路。

 

 

 

 

默认路由

默认路由是 0.0.0.0/0，每一个路由器的路由表都会有一个默认路由。

默认路由的出现是为了减少路由表的行数，毕竟路由表不可能记录全世界所有网络的网络地址，只能记住本路由器邻近的多个网络地址。当路由器A根据目的地址的网络号检索不到它所知道的网络地址时，就可以交给默认路由（即下一跳是默认的一个路由器B，交给这个路由器B转发，如果B也找不到，则再交给B的默认路由C，以此类推）。

 

综上，路由器分组转发算法如下：

 

 

有结构的路由表

为了进⾏更加有效的查找，通常是将路由表存放在二叉搜索树中。

如果直接使用表格存储路由表，匹配路由的时候需要一行行的匹配，假如路由表有1万行，而目的地址只能匹配到最后一行的默认路由，就需要匹配1万次。

路由表中IP地址存⼊⼆叉线索的规则：对于路由表里的每一行，先检查IP地址左边的第⼀位，如为 0，则第⼀层的节点在根节点 的左下⽅；如为 1，则在右下⽅。然后再检查地址的第⼆位，构造出第⼆层的节点。依此类 推，直到唯⼀前缀的最后⼀位。

叶子节点记录下一跳的地址。

假设路由表中有如下5行：

假设目的IP是 0110xxxx...，则查找过程为：左节点 - 右节点 - 右节点（到达叶子节点），匹配成功。

假设目的IP是 110xxx...，则查找过程为：右节点- 没有右节点了，由于没有到达叶子节点就结束了，说明路由表没有匹配的路由，走默认路由。

树的最大高度为32，这么一来查找的复杂度从O(n）降到了O(1)，因为无论路由表里面有多少条路由，最多只需查找32次。

 

 

 

IPv6地址
IPv6有三种基本类型地址：单播、多播和任播。
任播是IPv6增加的一种类型，任播的重点是一组计算机但数据报只交付给其中一个，是按照路由算法得出的距离最近的一个。

IPv6地址共128比特，16字节。用：分成8段，每段2个字节（4个16进制数）。
每组地址0开头可用省略。连续多个0可以用一个零可以用一个0表示。连续多组0信息可以用双冒号表示，双冒号只能用1次。

 

有6种类型，/128是指网络号的位数。

 

 

单播地址

前48 位是全球路由选择前缀（其中前三位固定为001），是第⼀级地址，分配给ISP等机构，相 当于IPv4的⽹络号。

⼦⽹标识：16 位，第⼆级地址，ISP等机构创建⾃⼰的⼦⽹；

接⼝ ID：64位，第三级地址，指明主机或路由器单个的⽹络接⼝。相当于 IPv4地址的主机号。

 

 

IPv6的IP数据报格式（了解即可）

两⼤部分组成：

• 基本⾸部；

• 后⾯的有效载荷：有效载荷允许有零个 或多个扩展⾸部，再后⾯是数据部分； 所有的扩展⾸部并不属于IPv6数据报的⾸部。

 

 

版本号，值固定为6，4个⽐特位。

通信量类，与IPv4 ⾸部ToS字段等效，没被⼴泛使⽤。

流标识，标识这个数据包属于源节点和⽬标节点之间的⼀个特定数 据包（例如一个视频或音频）序列，对实时⾳频/视频数据的传送特别有⽤。

有效载荷⻓度，不包含IPv6⾸部⻓度。这个⻓度就是 扩展⾸部和数据⻓度和。

下一个首部，指出下⼀个扩展⾸部的类型，如果没有扩展⾸部的话， 这个字段指的是传输层的协议类型，例如TCP/UDP（17 or 6）。

跳数限制，这个字段和IPv4⾸部中TTL类似，最⼤ 255。

 

 

 

从IPv4过渡到IPv6

不可能突然要求全球的主机立刻使用IPv6，而是需要一个过渡过程。下面是两种过渡策略：双协议栈和隧道技术。

 

双协议栈

是指一部分主机或路由器同时安装装有IPv4和IPv6的协议栈。这样主机就可以又和IPv4的系统通信，又和IPv6的系统通信，这样的主机它会同时拥有IPv4和IPv6地址。

该方法代价太大，因为要安装2套协议。

 

 

隧道技术

指某个主机只安装了IPv6协议栈，该主机发送一个数据报给另一个IPv6的主机，但是他们需要途径IPv4的网络。IPv6数据进入IPv4网络时，把IPv6数据报封装为IPv4的数据部分，并经由IPv4网络传输。这里的隧道是指报文经过的IPv4网络。当报文离开隧道时（具体是指遇到一个双协议栈的路由器）就把数据部分交给IPv6协议栈。

注意，包裹IPv6的IPv4报文的源地址和目的地址是隧道的入口和出口路由器。

该方法可以允许主机不安装双协议栈，但部分的路由器需要安装双协议栈。该方法无法让一个IPv4的主机和IPv6的主机通信。

 

ICMPv6 协议（了解即可）

是IPv6版本的ICMP协议。ARP 协议和 IGMP 协议的功能合并到 ICMPv6 中；也就是说，IPv6协议栈没有ARP协议和IGMP协议，ICMPv6除了差错报文和查询信息报文，还增加了临站发现报文和组成员关系报文这2种。