第5章 IP協(xié)議教材

第5章IP協(xié)議5.1IP數(shù)據(jù)報(bào)格式5.2無連接數(shù)據(jù)報(bào)傳輸5.3IP數(shù)據(jù)報(bào)選項(xiàng)5.4IP模塊的結(jié)構(gòu)第5章IP協(xié)議位置、協(xié)議間的關(guān)系：位于網(wǎng)絡(luò)層，同層的協(xié)議還有IP之下的ARP和RARP以及之上的ICMP和IGMP等。ARP和RARP報(bào)文不使用IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝，而使用底層的幀進(jìn)行封裝，而ICMP和IGMP報(bào)文和傳輸層下來的數(shù)據(jù)則先使用IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝，再使用底層的幀封裝。作用：IP協(xié)議是TCP/IP的核心協(xié)議，提供無連接、不可靠的主機(jī)到主機(jī)的IP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)。由于IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層中地位重要，因此網(wǎng)絡(luò)層又稱為IP層。特點(diǎn)：提供一種無連接、不可靠的IP數(shù)據(jù)報(bào)傳輸服務(wù)，因此效率較高，實(shí)現(xiàn)也較簡單。5.1IP數(shù)據(jù)報(bào)格式IP協(xié)議傳送IP數(shù)據(jù)報(bào)(IP分組)，格式如下：IP數(shù)據(jù)報(bào)的格式

報(bào)頭版本總長標(biāo)識生存時(shí)間報(bào)頭校驗(yàn)和片偏移源IP地址數(shù)據(jù)……

IP選項(xiàng)信宿IP地址報(bào)頭長服務(wù)類型標(biāo)志協(xié)議04816192431填充版本=4報(bào)頭長報(bào)頭長：以4字節(jié)為單位給出報(bào)頭的長度。報(bào)頭的長度應(yīng)當(dāng)是4字節(jié)的整數(shù)倍，假如不是，由填充域添“0”湊齊。協(xié)議報(bào)頭校驗(yàn)和源IP地址信宿IP地址總長總長：以字節(jié)為單位給出整個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)的長度。協(xié)議：表示數(shù)據(jù)報(bào)中的數(shù)據(jù)來自于哪個(gè)高級協(xié)議。1-ICMP2-IGMP6-TCP8-EGP17-UDP41-IPv689-OSPF報(bào)頭校驗(yàn)和：用于下一跳設(shè)備檢測報(bào)頭的完整性。分別表示本IP數(shù)據(jù)報(bào)最初發(fā)送者和最終接收者的IP地址，一般情況下，在整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)傳輸過程中，這兩個(gè)字段的內(nèi)容都保持不變。

版本=4總長標(biāo)識生存時(shí)間報(bào)頭校驗(yàn)和片偏移數(shù)據(jù)……

IP選項(xiàng)源IP地址信宿IP地址報(bào)頭長服務(wù)類型標(biāo)志協(xié)議04816192431填充服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型服務(wù)類型CRTD優(yōu)先級TOS段D：時(shí)延T：吞吐量R：可靠性C：代價(jià)0000正常（默認(rèn)）0001最小代價(jià)0010最高可靠性0100最大吞吐量1000最小時(shí)延0000ICMP,BOOTP,DNS（TCP查詢）0001NNTP0010IGP,SNMP0100FTP（數(shù)據(jù)）,SMTP（數(shù)據(jù)）1000TFTP,FTP（控制）,SMTP（命令）,

DNS（UDP查詢）,TELNETIP數(shù)據(jù)報(bào)的格式

優(yōu)先級：3個(gè)比特。表示本數(shù)據(jù)報(bào)的重要程度：0為最低級，7為最高級。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，路由器可以先丟棄低優(yōu)先級的數(shù)據(jù)報(bào)。因特網(wǎng)的發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆?wù)類型提出了更多的要求，為此，IETF將服務(wù)類型字段改成區(qū)分業(yè)務(wù)字段。長度仍然是8位，前面6位稱為“碼點(diǎn)”，最多可以提供64種不同的編碼，以對應(yīng)更多種類的傳輸服務(wù)類型。最后兩位保留未用，生存時(shí)間(TTL)版本總長標(biāo)識生存時(shí)間頭標(biāo)校驗(yàn)和片偏移源IP地址數(shù)據(jù)……

IP選項(xiàng)信宿IP地址頭標(biāo)長服務(wù)類型標(biāo)志協(xié)議04816192431填充生存時(shí)間原因：數(shù)據(jù)報(bào)從信源機(jī)到信宿機(jī)的傳輸延遲具有隨機(jī)性。并且如果路由器出錯(cuò)，數(shù)據(jù)報(bào)可能會進(jìn)入一條循環(huán)路徑，無休止地在互聯(lián)網(wǎng)中流動(dòng)。因此，源主機(jī)每當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)新的數(shù)據(jù)報(bào)，需要在生存時(shí)間字段指定其最大生存時(shí)間。使用方法：數(shù)據(jù)報(bào)每到達(dá)一個(gè)路由器，路由器會從該字段減去此段傳輸所用時(shí)間。一旦路由器發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)的生存時(shí)間小于等于0，便將數(shù)據(jù)報(bào)丟棄，并向信源機(jī)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)告。現(xiàn)在，TTL字段存放的是數(shù)據(jù)報(bào)的最大跳數(shù)。IP數(shù)據(jù)報(bào)的封裝IP數(shù)據(jù)報(bào)使用網(wǎng)絡(luò)底層的幀進(jìn)行封裝，然后再通過網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)進(jìn)行傳輸。網(wǎng)絡(luò)底層為以太網(wǎng)時(shí)，IP數(shù)據(jù)報(bào)的封裝：目的地址源地址0x0800數(shù)據(jù)CRC數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與分析軟件---SnifferSniffer界面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與分析軟件---Sniffer捕獲條件設(shè)置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)捕獲與分析軟件---Sniffer捕獲后的數(shù)據(jù)分析5.2無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸 源主機(jī)發(fā)出的每個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)攜帶源主機(jī)和目的主機(jī)地址，在網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立傳輸。

IP數(shù)據(jù)報(bào)每經(jīng)過一個(gè)路由器，路由器的IP協(xié)議模塊要進(jìn)行：首部校驗(yàn)路由選擇數(shù)據(jù)分片(在需要時(shí))

這一節(jié)先討論首部校驗(yàn)和數(shù)據(jù)分片功能，路由選擇將在第7章IP路由中介紹。5.2.1首部校驗(yàn)IP協(xié)議不對IP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。原因：上層傳輸層實(shí)現(xiàn)端到端的傳輸，由傳輸層對IP數(shù)據(jù)部分進(jìn)行端到端的校驗(yàn)比網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的校驗(yàn)開銷小得多，在通信線路較好的情況下尤其如此；另外，上層可以根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸?，選擇校驗(yàn)或不校驗(yàn)，校驗(yàn)時(shí)還可選擇校驗(yàn)的方法。IP協(xié)議只對IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部進(jìn)行校驗(yàn)。原因：IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部屬于網(wǎng)絡(luò)層的控制信息，不應(yīng)該由其他層的協(xié)議處理。IP首部中的部分字段在點(diǎn)到點(diǎn)的傳遞過程中是不斷變化的(例如TTL字段)，因此必須由IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的首部校驗(yàn)。IP數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)的傳輸層校驗(yàn)和IP數(shù)據(jù)報(bào)首部的網(wǎng)絡(luò)層校驗(yàn)IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部通過16個(gè)比特的校驗(yàn)和字段實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層點(diǎn)到點(diǎn)的校驗(yàn)。上一節(jié)點(diǎn)生成首部校驗(yàn)和：將IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部劃分成若干個(gè)16比特的小數(shù)據(jù)塊其中校驗(yàn)和字段置0對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行求和（高位的進(jìn)位加到低位）最后再對結(jié)果求反將計(jì)算得到的結(jié)果(即首部校驗(yàn)和)填入到校驗(yàn)和字段，然后將數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀后發(fā)給去往信宿的下一跳設(shè)備。下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行首部校驗(yàn)：下一跳設(shè)備將收到的IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部再分成若干個(gè)16比特的小數(shù)據(jù)塊，對數(shù)據(jù)塊進(jìn)行求和，再對結(jié)果求反。若最終結(jié)果為0，則認(rèn)為數(shù)據(jù)報(bào)首部的在此段傳輸和處理過程中沒出現(xiàn)差錯(cuò)；否則認(rèn)為首部出錯(cuò)，丟棄數(shù)據(jù)報(bào)，并使用ICMP向源主機(jī)報(bào)錯(cuò)。和校驗(yàn)和求反碼傳輸和0000求反碼例子：假設(shè)某IP數(shù)據(jù)報(bào)首部中，首部長度字段為5，數(shù)據(jù)報(bào)總長度為128，標(biāo)識字段為1，標(biāo)志、片偏移字段為0，TTL值為4，協(xié)議字段為6(表示數(shù)據(jù)來自TCP協(xié)議)，源地址和目的地址分別為：6和0，無IP選項(xiàng)字段。下一跳設(shè)備收到IP數(shù)據(jù)報(bào)后先進(jìn)行首部校驗(yàn)：求和求反后，若得到0，表明數(shù)據(jù)報(bào)首部正確；否則認(rèn)為出錯(cuò)，丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)，并使用ICMP向源主機(jī)進(jìn)行差錯(cuò)報(bào)告。5.2.2數(shù)據(jù)分片與重組

IP數(shù)據(jù)報(bào)在傳輸過程中，在不同的網(wǎng)絡(luò)的底層可能使用不同的幀進(jìn)行封裝。并且不同網(wǎng)絡(luò)中幀的數(shù)據(jù)區(qū)的最大長度(即幀的最大傳輸單元MTU)可能不同。通常網(wǎng)絡(luò)的速度越快，幀的MTU也就越大。例如： 以太網(wǎng)的MTU：1500B FDDI的MTU:4325B 4M令牌環(huán)的MTU:4464B 16M令牌環(huán)的MTU:17914B

因此，將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀時(shí)，需要考慮網(wǎng)絡(luò)的MTU大小，有兩種處理方式：IPv6:在信源機(jī)上將數(shù)據(jù)報(bào)按所經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的最小MTU封裝成幀；IPv4:在信源機(jī)上將數(shù)據(jù)報(bào)以信源網(wǎng)絡(luò)的MTU進(jìn)行封裝，傳輸過程中，在需要時(shí)由路由器上對數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片。

1．?dāng)?shù)據(jù)報(bào)分片分片首部：數(shù)據(jù)報(bào)分片時(shí)，每個(gè)分片都會得到一個(gè)分片首部。分片首部中的大部分字段內(nèi)容和原數(shù)據(jù)報(bào)相同，如IP地址、版本號、協(xié)議和數(shù)據(jù)報(bào)標(biāo)識等，少數(shù)字段可能不同，比如：數(shù)據(jù)報(bào)總長度、標(biāo)志和片偏移字段。另外，第一個(gè)分片必須帶原數(shù)據(jù)報(bào)的選項(xiàng)，其它分片既可以帶也可以不帶，由具體的選項(xiàng)類型決定。與分片和重組相關(guān)的字段版本總長標(biāo)識生存時(shí)間報(bào)頭校驗(yàn)和片偏移源IP地址數(shù)據(jù)……

IP選項(xiàng)信宿IP地址報(bào)頭長服務(wù)類型標(biāo)志協(xié)議04816192431填充標(biāo)識標(biāo)識：(16b長)是信源機(jī)賦予數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識符。在信源機(jī)中有一個(gè)計(jì)數(shù)器，每生產(chǎn)一個(gè)新數(shù)據(jù)報(bào)，計(jì)數(shù)器加1，將該值作為新數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識。因此信源IP地址+標(biāo)識可唯一標(biāo)識一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)。分片時(shí)，分片的標(biāo)識和原數(shù)據(jù)報(bào)相同。因此信源IP地址+標(biāo)識也是分片重組的依據(jù)。標(biāo)志

D位：是否允許分片(0:允許)M位：是否是最后一個(gè)分片(0:最后一片)DM

片偏移片偏移：(13b長)以8個(gè)字節(jié)為單位給出本片的數(shù)據(jù)在原數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)中的偏移量。分片重組時(shí)，提供分片的順序信息。

分片和重組(假設(shè)數(shù)據(jù)報(bào)首部20B)MTU=1620BMTU=820BMTU=1420B

該主機(jī)進(jìn)行分片重組P1P2P3P4P5I2I1I3I4I5I6H1R1R2P6H2

該路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)分片

該路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)分片第一次分片數(shù)據(jù)區(qū)報(bào)頭1600B數(shù)據(jù)區(qū)報(bào)頭數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)1=1400數(shù)據(jù)2=200報(bào)頭報(bào)頭標(biāo)識片偏移標(biāo)志295710000000295710010/8=00295710001400/8=175175分片規(guī)則：前面各分片盡可能大，但大小不能超過下一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的幀的MTU值。分片中數(shù)據(jù)的大小必須為8字節(jié)的整數(shù)倍，否則下一片的片偏移的值無法表示。

2．分片的重組分片可以在信源機(jī)或路由器上進(jìn)行，而重組只能在信宿機(jī)上進(jìn)行。信宿機(jī)開始分片重組時(shí)，啟動(dòng)重組定時(shí)器，如果定時(shí)器超時(shí)前未能完成重組（例如某些分片未及時(shí)到達(dá)信宿機(jī)），將丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)的所有分片，并使用ICMP向信源機(jī)發(fā)送一個(gè)重組超時(shí)報(bào)告。分片重組的依據(jù)：分片首部的標(biāo)識(+信源地址)、標(biāo)志和片偏移字段。數(shù)據(jù)報(bào)的分片和重組對用戶是透明的，由網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)自動(dòng)完成。信宿機(jī)上的分片重組數(shù)據(jù)1=800B首部數(shù)據(jù)2=600B首部數(shù)據(jù)3=200B首部2957100102957100110029571000175數(shù)據(jù)1=800B數(shù)據(jù)2=600B數(shù)據(jù)3=200B數(shù)據(jù)1=800B數(shù)據(jù)2=600B數(shù)據(jù)3=200B數(shù)據(jù)（1600字節(jié)）首部標(biāo)識標(biāo)志片偏移295712957129571標(biāo)志000片偏移000重組成功?。?！5.3IP數(shù)據(jù)報(bào)的選項(xiàng)選項(xiàng)的長度：長度不定，但必須為4字節(jié)的整數(shù)倍，且不能超過40字節(jié)，。選項(xiàng)的作用：用于網(wǎng)絡(luò)控制和測試(如源路由、記錄路由、時(shí)間戳等)。IP選項(xiàng)在數(shù)據(jù)報(bào)中是可選的，但TCP/IP軟件必須具備IP選項(xiàng)處理的功能。5.3.1選項(xiàng)格式IP選項(xiàng)有多種類型，一般都由三個(gè)部分組成：選項(xiàng)碼選項(xiàng)長度選項(xiàng)數(shù)據(jù)。選項(xiàng)長度：(8b長)以字節(jié)為單位給出整個(gè)選項(xiàng)的長度。注意：有些選項(xiàng)不含長度和選項(xiàng)數(shù)據(jù)字段。選項(xiàng)數(shù)據(jù)：不定長，用于存放選項(xiàng)的具體內(nèi)容。選項(xiàng)碼：(8b長)分為復(fù)制位、選項(xiàng)類和選項(xiàng)號3個(gè)子字段。復(fù)制位占1個(gè)比特，用于控制數(shù)據(jù)報(bào)分片時(shí)是否將選項(xiàng)復(fù)制到各個(gè)分片。復(fù)制位為“1”時(shí)，表示將選項(xiàng)復(fù)制到所有的分片中，復(fù)制位為“0”時(shí)，表示僅將選項(xiàng)復(fù)制到第一個(gè)分片中。選項(xiàng)類占2比特，用于表示選項(xiàng)的一般分類。選項(xiàng)號：(5b長)用于表示選項(xiàng)的具體類型。前面的選項(xiàng)類指出選項(xiàng)的一般分類，而選項(xiàng)號則對分類進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化。5.3.2選項(xiàng)的類型選項(xiàng)類初步定義了四種選項(xiàng)類型：00類用于數(shù)據(jù)報(bào)傳輸路徑的控制和選項(xiàng)的結(jié)構(gòu)表示；10類用于時(shí)間戳的測試；01和11類暫未使用。選項(xiàng)號對選項(xiàng)類型進(jìn)行細(xì)分：將00類選項(xiàng)進(jìn)一步分成5種選項(xiàng)，10類中只有1種選項(xiàng)。選項(xiàng)類 選項(xiàng)號 長度字段 含義

00 00000 無單字節(jié)結(jié)束選項(xiàng)

00 00001 無 單字節(jié)填充選項(xiàng)

00 00011 有 寬松源路由選項(xiàng)

00 00111 有 記錄路徑選項(xiàng)

00 01001 有 嚴(yán)格源路由選項(xiàng)

10 00100 有 時(shí)間戳選項(xiàng)1．單字節(jié)結(jié)束和單字節(jié)填充選項(xiàng)特點(diǎn)：都為1個(gè)字節(jié)長，只有選項(xiàng)碼字段，沒有長度和數(shù)據(jù)字段。00000000(結(jié)束)，00000001(填充)作用：由于數(shù)據(jù)報(bào)首部的長度必須是4字節(jié)的整數(shù)倍，而首部中的選項(xiàng)不定長，因此可能需要使用單字節(jié)填充選項(xiàng)進(jìn)行首部填充。填充部分以單字節(jié)結(jié)束選項(xiàng)作為結(jié)束。使用方法：如果只需要一個(gè)字節(jié)進(jìn)行首部填充，在首部后面直接使用單字節(jié)填充選項(xiàng)即可；當(dāng)需要多個(gè)字節(jié)進(jìn)行填充時(shí)，在首部后面先使用多個(gè)單字節(jié)填充選項(xiàng)，再使用一個(gè)單字節(jié)結(jié)束選項(xiàng)。首部填充

首部版本總長標(biāo)識生存時(shí)間報(bào)頭校驗(yàn)和片偏移源IP地址數(shù)據(jù)……

IP選項(xiàng)信宿IP地址報(bào)頭長服務(wù)類型標(biāo)志協(xié)議04816192431填充版本=4報(bào)頭長協(xié)議報(bào)頭校驗(yàn)和源IP地址信宿IP地址總長2．源路由選項(xiàng)作用：一般情況下，網(wǎng)絡(luò)為IP數(shù)據(jù)報(bào)選擇傳輸路徑。但有時(shí)為了網(wǎng)絡(luò)測試等目的，也可在信源機(jī)上人為指定數(shù)據(jù)報(bào)的傳輸路徑。此時(shí)需要使用源路由選項(xiàng)。源路由選項(xiàng)分為兩種：嚴(yán)格源路由選項(xiàng)寬松源路由選項(xiàng)（1）嚴(yán)格源路由作用：可以在信源機(jī)上指定數(shù)據(jù)報(bào)傳輸所必須經(jīng)過的每一個(gè)路由器。嚴(yán)格源路由選項(xiàng)的格式如圖所示。選項(xiàng)碼：其中復(fù)制位為“1”（表示分片時(shí)此選項(xiàng)要復(fù)制到各個(gè)分片首部中)，選項(xiàng)類為“00”，選項(xiàng)號為“01001”，即128+8+1=137。指針：當(dāng)設(shè)備（信源機(jī)或路由器）發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，指針?biāo)赶虻牡刂返氖窃撛O(shè)備的下下跳設(shè)備的入口IP地址。源主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，指針值為4(指向第一個(gè)IP地址)，每當(dāng)下一跳設(shè)備收到數(shù)據(jù)報(bào)后會將指針值加4(指向下一個(gè)IP地址)。 在嚴(yán)格源路由過程中，數(shù)據(jù)報(bào)首部的目的IP地址會不斷變化(這和一般數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)那闆r不同)，給出下一跳設(shè)備地址，而不是最終目的地址，另外源路由選項(xiàng)中的IP地址表也會不斷變化：在信源機(jī)上，在IP地址表中給出數(shù)據(jù)報(bào)必須要經(jīng)過的各路由器入口IP地址后，將指針設(shè)為4，指向地址列表的第一個(gè)地址，然后將指針?biāo)傅腎P地址從列表中去掉，將其作為數(shù)據(jù)報(bào)的目的IP地址，再將列表后面的地址依次前移，并將真正的目的IP地址寫到地址列表的最后。然后數(shù)據(jù)報(bào)每到達(dá)一個(gè)路由器，將指針?biāo)傅刂放c目的IP地址互換，并將指針加4。123456192.168.40778源IP：1目的IP:8246嚴(yán)格源路由：151374468源IP：1目的IP:2151378268源IP：1目的IP:41513712248源IP：1目的IP:61513716246源IP：1目的IP:8（2）寬松源路由選項(xiàng)作用：在信源機(jī)上給出數(shù)據(jù)報(bào)傳輸時(shí)必須經(jīng)過的某些關(guān)鍵點(diǎn)。關(guān)鍵點(diǎn)之間無直接連接時(shí)，由路由選擇算法進(jìn)行尋路。選項(xiàng)的格式與嚴(yán)格源路由相同。

3．記錄路由選項(xiàng)作用：用于記錄數(shù)據(jù)報(bào)傳輸所經(jīng)過的各路由器出口IP地址。其格式與源路由選項(xiàng)格式相同。地址列表：數(shù)據(jù)報(bào)每到達(dá)一個(gè)路由器，把該路由器的出口IP地址記錄到地址列表中。列表大小由源主機(jī)預(yù)先估計(jì)并分配。假如地址列表已滿，將放棄記錄余下的地址。指針：指向列表中下一個(gè)可存放地