IP协议介绍

定义

IP 协议&＃xff08;Internet Protocol&＃xff09;又称互联网协议&＃xff0c;是支持网间互联的数据包协议。该协议工作在网络层&＃xff0c;主要目的就是为了提高网络的可扩展性&＃xff0c;和传输层 TCP 相比&＃xff0c;IP 协议提供一种无连接/不可靠、尽力而为的数据包传输服务&＃xff0c;其与TCP协议&＃xff08;传输控制协议&＃xff09;一起构成了TCP/IP 协议族的核心。

特点

• 无连接&＃xff0c;不可靠
• 与TCP协议&＃xff08;传输控制协议&＃xff09;一起 构成了TCP/IP协议簇的核心

作用

寻址和路由&＃xff1a;

• 在IP 数据包中会携带源 IP 地址和目的 IP 地址来标识该数据包的源主机和目的主机。IP 数据报在传输过程中&＃xff0c;每个中间节点&＃xff08;IP 网关、路由器&＃xff09;只根据网络地址进行转发&＃xff0c;如果中间节点是路由器&＃xff0c;则路由器会根据路由表选择合适的路径。IP 协议根据路由选择协议提供的路由信息对 IP 数据报进行转发&＃xff0c;直至抵达目的主机。

分片与重组&＃xff1a;

• IP 数据包在传输过程中可能会经过不同的网络&＃xff0c;在不同的网络中数据包的最大长度限制是不同的&＃xff0c;IP 协议通过给每个 IP 数据包分配一个标识符以及分段与组装的相关信息&＃xff0c;使得数据包在不同的网络中能够传输&＃xff0c;被分段后的 IP 数据报可以独立地在网络中进行转发&＃xff0c;在到达目的主机后由目的主机完成重组工作&＃xff0c;恢复出原来的 IP 数据包。

①TCP分段与IP分片的区别&＃xff1f;

TCP分段

• 数据传输到传输层时受MSS限制&＃xff0c;对数据进行分段&＃xff0c;每一段分别添加TCP首部。
• **注意: **TCP分段仅发生在发送端&＃xff0c;这是因为在传输过程中&＃xff0c;TCP分段是先被封装成IP数据报&＃xff0c;再封装在以太网帧中被链路所传输的&＃xff0c;并且在端到端路径上通常不会有工作在三层以上&＃xff0c;即传输层的设备&＃xff0c;故TCP分段不会发生在传输路径中间的某个设备中&＃xff0c;在发送端TCP传输层分段后&＃xff0c;在接收端TCP传输层重组。

IP分片

• 网络层下发到数据链路层的数据不能超过MTU。如果超过了就需要在网络层分片&＃xff0c;切成小于MTU的IP数据包。

注意&＃xff1a;

• 分段特指发生在使用TCP协议的传输层中的数据切分行为
• 分片特指发生在使用IPv4协议的网络IP层中的数据切分行为

什么是MSS&＃xff1f;

• **TCP最大报文长度&＃xff0c;**为TCP传输层的最大载荷上限(即应用层数据最大长度)&＃xff0c;不包含 TCP Header 和 TCP Option&＃xff0c;只包含 TCP Payload &＃xff0c;MSS 是 TCP 用来限制应用层最大的发送字节数。
• TCP会进行三次握手&＃xff0c;而MSS会在三次握手的过程中传递给对方&＃xff0c;MSS只出现在来syn报文段中&＃xff0c;用于通知对端本地最大可以接收的TCP报文数据大小&＃xff08;不包含TCP和IP报文首部&＃xff09;。
• 一般来说&＃xff0c;MSS的值在不分段的情况会越大越好&＃xff0c;比如一个外出接口的MSS值是MTU减去IP和TCP首部长度。

滑动窗口与MSS的区别&＃xff1f;

• 窗自口大小是个动态的值&＃xff0c;因为TCP是用的滑zd动窗口协议&＃xff0c;传输数据的速率都是根据窗口大小来调整的。可以把窗口理解为一个缓存&＃xff0c;而且窗口大小跟MSS是没有任何关系的。
• 窗口是为了控制传输过程中的速度。而MSS只是控制TCP报文段大小。

什么是MTU&＃xff1f;

• 最大传输单元(Maximum Transmission Unit)&＃xff0c;即MTU&＃xff0c;为数据链路层的最大载荷上限(即IP数据报最大长度)&＃xff0c;每段链路的MTU可能都不相同&＃xff0c;一条端到端路径的MTU由这条路径上MTU最小的那段链路的MTU决定。
• 所谓的MTU&＃xff0c;是二层协议的一个限制&＃xff0c;对不同的二层协议可能有不同的值&＃xff0c;只有二层协议为以太网(Ethernet)时&＃xff0c;MTU一般才取1500字节&＃xff0c;注意它不是物理链路介质的限制&＃xff0c;只有工作在二层的设备才需要指定MTU的值&＃xff0c;如网卡、转发设备端口(统称为网络接口)等&＃xff0c;通过同一段线缆直连的通信端口或网卡&＃xff0c;其MTU值一定相同。

MSS与MTU的关系

MTU的换算关系为&＃xff1a;
MTU &＃61; MSS &＃43; TCP首部长度 &＃43; IP首部长度
故在以太网中(网络层以IPv4为例)&＃xff1a;
MSS &＃61; 以太网MTU - TCP首部长度 - IPv4首部长度 &＃61; 1500 - 20 - 20 &＃61; 1460字节

疑问

UDP是否会进行分段&＃xff1f;

• 不会&＃xff0c;**UDP是简单至极的传输协议&＃xff0c;就是在IP协议基础上增加了些无关痛痒的特性以实现端到端的数据传输服务&＃xff0c;因此UDP提供的是类似IP的“尽力而为”的传输服务&＃xff0c;是不可靠的。而由于UDP协议并不会自行分段&＃xff0c;故MSS的限制对其没有作用&＃xff0c;因此最终的IP数据报的长度超过了MTU时&＃xff0c;网络层会负责执行IP分片。同样&＃xff0c;(没有分段功能的)ICMP数据在网络层中同样会出现IP分片的情况。

TCP分段后会进行IP分片吗?

• 发送端进行TCP分段后就一定不会在IP层进行分片&＃xff0c;因为MSS本身就是基于MTU推导而来&＃xff0c;TCP层分段满足了MSS限制&＃xff0c;也就满足了MTU的物理限制。但在TCP分段发生后仍然可能发生IP分片&＃xff0c;这是因为TCP分段仅满足了通信两端的MTU要求&＃xff0c;传输路径上如经过MTU值比该MTU值更小的链路&＃xff0c;那么在转发分片到该条链路的设备中仍会以更小的MTU值作为依据再次分片。当然如果两个通信主机直连&＃xff0c;那么TCP连接协商得到的MTU值(两者网卡MTU较小值)就是端到端的路径MTU值&＃xff0c;故发送端只要做了TCP分段&＃xff0c;则在整个通信过程中一定不会发生IP分片。

总结:

• TCP分段的原因是因为TCP报文段大小受MSS限制
• IP分片的原因则是因为IP数据报大小受MTU限制
• UDP不会分段&＃xff0c;由IP来分片
• 发送端进行TCP分段后就一定不会在IP层进行分片,但是在TCP分段发生后到达其传输路径仍然可能发生IP分片

②IP协议报头

IP 报头的最小长度为 20 字节&＃xff0c;上图中每个字段的含义如下&＃xff1a;

第一行

1. 版本&＃xff08;version&＃xff09;
   占 4 位&＃xff0c;表示 IP 协议的版本。通信双方使用的 IP 协议版本必须一致。目前广泛使用的IP协议版本号为 4&＃xff0c;即 IPv4。
2. 首部长度&＃xff08;网际报头长度IHL&＃xff09;
   占 4 位&＃xff0c;可表示的最大十进制数值是 15。这个字段所表示数的单位是 32 位字长&＃xff08;1 个 32 位字长是 4 字节&＃xff09;。因此&＃xff0c;当 IP 的首部长度为 1111 时&＃xff08;即十进制的 15&＃xff09;&＃xff0c;首部长度就达到 60 字节。当 IP 分组的首部长度不是 4 字节的整数倍时&＃xff0c;必须利用最后的填充字段加以填充。

数据部分永远在 4 字节的整数倍开始&＃xff0c;这样在实现 IP 协议时较为方便。首部长度限制为 60 字节的缺点是&＃xff0c;长度有时可能不够用&＃xff0c;之所以限制长度为 60 字节&＃xff0c;是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是 20 字节&＃xff08;即首部长度为 0101&＃xff09;&＃xff0c;这时不使用任何选项。

3. 区分服务&＃xff08;tos&＃xff09;
   也被称为服务类型&＃xff0c;占 8 位&＃xff0c;用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型&＃xff0c;但实际上一直没有被使用过。1998 年 IETF 把这个字段改名为区分服务&＃xff08;Differentiated Services&＃xff0c;DS&＃xff09;。只有在使用区分服务时&＃xff0c;这个字段才起作用。
4. 总长度&＃xff08;totlen&＃xff09;
   首部和数据之和&＃xff0c;单位为字节。总长度字段为 16 位&＃xff0c;因此数据报的最大长度为 2^16-1&＃61;65535 字节。

第二行

1. 标识&＃xff08;identification&＃xff09;
   用来标识数据报&＃xff0c;占 16 位。IP 协议在存储器中维持一个计数器。每产生一个数据报&＃xff0c;计数器就加 1&＃xff0c;并将此值赋给标识字段。当数据报的长度超过网络的 MTU&＃xff0c;而必须分片时&＃xff0c;这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中。具有相同的标识字段值的分片报文会被重组成原来的数据报。
2. 标志&＃xff08;flag&＃xff09;
   占 3 位。第一位未使用&＃xff0c;其值为 0。第二位称为 DF&＃xff08;不分片&＃xff09;&＃xff0c;表示是否允许分片。取值为 0 时&＃xff0c;表示允许分片&＃xff1b;取值为 1 时&＃xff0c;表示不允许分片。第三位称为 MF&＃xff08;更多分片&＃xff09;&＃xff0c;表示是否还有分片正在传输&＃xff0c;设置为 0 时&＃xff0c;表示没有更多分片需要发送&＃xff0c;或数据报没有分片。
3. 片偏移&＃xff08;offsetfrag&＃xff09;
   占 13 位。当报文被分片后&＃xff0c;该字段标记该分片在原报文中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。所以&＃xff0c;除了最后一个分片&＃xff0c;其他分片的偏移值都是 8 字节&＃xff08;64 位&＃xff09;的整数倍。

第三行

1. 生存时间&＃xff08;TTL&＃xff09;
   表示数据报在网络中的寿命&＃xff0c;占 8 位。该字段由发出数据报的源主机设置。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在网络中传输&＃xff0c;从而消耗网络资源。

路由器在转发数据报之前&＃xff0c;先把 TTL 值减 1。若 TTL 值减少到 0&＃xff0c;则丢弃这个数据报&＃xff0c;不再转发。因此&＃xff0c;TTL 指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器。TTL 的最大数值为 255。若把 TTL 的初始值设为 1&＃xff0c;则表示这个数据报只能在本局域网中传送。

2. 协议
   表示该数据报文所携带的数据所使用的协议类型&＃xff0c;占 8 位。该字段可以方便目的主机的 IP 层知道按照什么协议来处理数据部分。不同的协议有专门不同的协议号。

例如&＃xff0c;TCP 的协议号为 6&＃xff0c;UDP 的协议号为 17&＃xff0c;ICMP 的协议号为 1。

3. 首部检验和&＃xff08;checksum&＃xff09;
   用于校验数据报的首部&＃xff0c;占 16 位。数据报每经过一个路由器&＃xff0c;首部的字段都可能发生变化&＃xff08;如TTL&＃xff09;&＃xff0c;所以需要重新校验。而数据部分不发生变化&＃xff0c;所以不用重新生成校验值。

第四行

1. 源地址
   表示数据报的源 IP 地址&＃xff0c;占 32 位。

第五行

1. 目的地址
   表示数据报的目的 IP 地址&＃xff0c;占 32 位。该字段用于校验发送是否正确。

第六行

1. 可选字段
   该字段用于一些可选的报头设置&＃xff0c;主要用于测试、调试和安全的目的。这些选项包括严格源路由&＃xff08;数据报必须经过指定的路由&＃xff09;、网际时间戳&＃xff08;经过每个路由器时的时间戳记录&＃xff09;和安全限制。
2. 填充
   由于可选字段中的长度不是固定的&＃xff0c;使用若干个 0 填充该字段&＃xff0c;可以保证整个报头的长度是 32 位的整数倍。

第七行及以后

1. 数据部分
   表示传输层的数据&＃xff0c;如保存 TCP、UDP、ICMP 或 IGMP 的数据。数据部分的长度不固定。