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003网际协议
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第3章IP：
网际协议
3.1引言
IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。
所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输（见图1-4）。
许多刚开始接触TCP/IP的人对IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务感到很奇怪，特别是那些具有X.25或SNA背景知识的人。
不可靠（unreliable）的意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。
IP仅提供最好的传输服务。
如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP有一个简单的错误处理算法：
丢弃该数据报，然后发送ICMP消息报给信源端。
任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP）。
无连接（connectionless）这个术语的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。
每个数据报的处理是相互独立的。
这也说明，IP数据报可以不按发送顺序接收。
如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。
在本章，我们将简要介绍IP首部中的各个字段，讨论IP路由选择和子网的有关内容。
还要介绍两个有用的命令：
ifconfig和netstat。
关于IP首部中一些字段的细节，将留在以后使用这些字段的时候再进行讨论。
RFC791[Postel1981a]是IP的正式规范文件。
3.2IP首部
IP数据报的格式如图3-1所示。
普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。
4位4位首部版本长度
16位标识
8位服务类型（TOS）
16位总长度（字节数）
3位13位片偏移标志
8位生存时间
8位协议
16位首部检验和
20字节
32位源IP地址
32位目的IP地址
选项（如果有）
数据
图3-1IP数据报格式及首部中的各字段
分析图3-1中的首部。
最高位在左边，记为0bit；最低位在右边，记为31bit。
4个字节的32bit值以下面的次序传输：
首先是0～7bit，其次8～15bit，然后16～23bit，最后是24~31bit。
这种传输次序称作bigendian字节序。
由于TCP/IP首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。
以其他形式存储二进制整数的机器，如littleendian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。
目前的协议版本号是4，因此IP有时也称作IPv4。
3.10节将对一种新版的IP协议进行讨论。
首部长度指的是首部占32bit字的数目，包括任何选项。
由于它是一个4比特字段，因此首部最长为60个字节。
在第8章中，我们将看到这种限制使某些选项如路由记录选项在当今已
没有什么用处。
普通IP数据报（没有任何选择项）字段的值是5。
服务类型（TOS）字段包括一个3bit的优先权子字段（现在已被忽略），4bit的TOS子字
段和1bit未用位但必须置0。
4bit的TOS分别代表：
最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。
4bit中只能置其中1bit。
如果所有4bit均为0，那么就意味着是一般服务。
RFC1340[ReynoldsandPostel1992]描述了所有的标准应用如何设置这些服务类型。
RFC1349[Almquist1992]对该RFC进行了修正，更为详细地描述了TOS的特性。
图3-2列出了对不同应用建议的TOS值。
在最后一列中给出的是十六进制值，因为这就是在后面将要看到的tcpdump命令输出。
制值
应用程序最小时延最大吞吐量最高可靠性最小费用16进
控制数据任意块数据
命令阶段数据阶段
UDP查询TCP查询区域传输
差错查询任何IGP
图3-2服务类型字段推荐值
Telnet和Rlogin这两个交互应用要求最小的传输时延，因为人们主要用它们来传输少量的交互数据。
另一方面，FTP文件传输则要求有最大的吞吐量。
最高可靠性被指明给网络管理
（SNMP）和路由选择协议。
用户网络新闻（Usenetnews,NNTP）是唯一要求最小费用的应用。
现在大多数的TCP/IP实现都不支持TOS特性，但是自4.3BSDReno以后的新版系统都对它进行了设置。
另外，新的路由协议如OSPF和IS-IS都能根据这些字段的值进行路由决策。
在2.10节中，我们提到SLIP一般提供基于服务类型的排队方法，允许对交互通信
数据在处理大块数据之前进行处理。
由于大多数的实现都不使用TOS字段，因此这种排队机制由SLIP自己来判断和处理，驱动程序先查看协议字段（确定是否是一个TCP段），然后检查TCP信源和信宿的端口号，以判断是否是一个交互服务。
一个驱动程序的注释这样认为，这种“令人厌恶的处理方法”是必需的，因为大多数实现都不允许应用程序设置TOS字段。
总长度字段是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。
利用首部长度字段和总长度字段，就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。
由于该字段长16比特，所以IP数据报最长可达65535字节（回忆图2-5，超级通道的MTU为65535。
它的意思其实不是一个真正的MTU—它使用了最长的IP数据报）。
当数据报被分片时，该字段的值也随着变化，这一点将在11.5节中进一步描述。
尽管可以传送一个长达65535字节的IP数据报，但是大多数的链路层都会对它进行分片。
而且，主机也要求不能接收超过576字节的数据报。
由于TCP把用户数据分成若干片，因此一般来说这个限制不会影响TCP。
在后面的章节中将遇到大量使用UDP的应用（RIP，TFTP，BOOTP，DNS，以及SNMP），它们都限制用户数据报长度为512字节，小于576字节。
但是，事实上现在大多数的实现（特别是那些支持网络文件系统NFS的实现）允许超过8192字节的IP数据报。
总长度字段是IP首部中必要的内容，因为一些数据链路（如以太网）需要填充一些数据以达到最小长度。
尽管以太网的最小帧长为46字节（见图2-1），但是IP数据可能会更短。
如果没有总长度字段，那么IP层就不知道46字节中有多少是IP数据报的内容。
标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。
通常每发送一份报文它的值就会加1。
在
11.5节介绍分片和重组时再详细讨论它。
同样，在讨论分片时再来分析标志字段和片偏移字段。
RFC791[Postel1981a]认为标识字段应该由让IP发送数据报的上层来选择。
假设有两个连续的IP数据报，其中一个是由TCP生成的，而另一个是由UDP生成的，那么它们可能具有相同的标识字段。
尽管这也可以照常工作（由重组算法来处理），但是在大多数从伯克利派生出来的系统中，每发送一个IP数据报，IP层都要把一个内核变量的值加
1，不管交给IP的数据来自哪一层。
内核变量的初始值根据系统引导时的时间来设置。
TTL（time-to-live）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。
它指定了数据报的生存时间。
TTL的初始值由源主机设置（通常为32或64），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去1。
当该字段的值为0时，数据报就被丢弃，并发送ICMP报文通知源主机。
第8章我们讨论Traceroute程序时将再回来讨论该字段。
我们已经在第1章讨论了协议字段，并在图1-8中示出了它如何被IP用来对数据报进行分用。
根据它可以识别是哪个协议向IP传送数据。
首部检验和字段是根据IP首部计算的检验和码。
它不对首部后面的数据进行计算。
ICMP、
IGMP、UDP和TCP在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。
为了计算一份数据报的IP检验和，首先把检验和字段置为0。
然后，对首部中每个16bit
进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串16bit的字组成），结果存在检验和字段中。
当收到一份IP数据报后，同样对首部中每个16bit进行二进制反码的求和。
由于接收方在计算过
程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全1。
如果结果不是全1（即检验和错误），那么IP就丢弃收到的数据报。
但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。
ICMP、IGMP、UDP和TCP都采用相同的检验和算法，尽管TCP和UDP除了本身的首部和数据外，在IP首部中还包含不同的字段。
在RFC1071[Braden,BormanandPatridge1988]中有关于如何计算Internet检验和的实现技术。
由于路由器经常只修改TTL字段（减1），因此当路由器转发一份报文时可以增加它的检验和，而不需要对IP整个首部进行重新计算。
RFC
1141[MalloryandKullberg1990]为此给出了一个很有效的方法。
但是，标准的BSD实现在转发数据报时并不是采用这种增加的办法。
每一份IP数据报都包含源IP地址和目的IP地址。
我们在1.4节中说过，它们都是32bit的
值。
最后一个字段是任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。
目前，这些任选项定义如下：
•安全和处理限制（用于军事领域，详细内容参见RFC1108[Kent1991]）
•记录路径（让每个路由器都记下它的IP地址，见7.3节）
•时间戳（让每个路由器都记下它的IP地址和时间，见7.4节）
•宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的IP地址，见8.5节）
•严格的源站选路（与宽松的源站选路类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址）。
这些选项很少被使用，并非所有的主机和路由器都支持这些选项。
选项字段一直都是以32bit作为界限，在必要的时候插入值为0的填充字节。
这样就保证
IP首部始终是32bit的整数倍（这是首部长度字段所要求的）。
3.3IP路由选择
从概念上说，IP路由选择是简单的，特别对于主机来说。
如果目的主机与源主机直接相连（如点对点链路）或都在一个共享网络上（以太网或令牌环网），那么IP数据报就直接送到目的主机上。
否则，主机把数据报发往一默认的路由器上，由路由器来转发该数据报。
大多数的主机都是采用这种简单机制。
在本节和第9章中，我们将讨论更一般的情况，即IP层既可以配置成路由器的功能，也可以配置成主机的功能。
当今的大多数多用户系统，包括几乎所有的Unix系统，都可以配置成一个路由器。
我们可以为它指定主机和路由器都可以使用的简单路由算法。
本质上的区别在于主机从不把数据报从一个接口转发到另一个接口，而路由器则要转发数据报。
内含路由器功能的主机应该从不转发数据报，除非它被设置成那样。
在9.4小节中，我们将进一步讨论配置的有关问题。
在一般的体制中，IP可以从TCP、UDP、ICMP和IGMP接收数据报（即在本地生成的数据报）并进行发送，或者从一个网络接口接收数据报（待转发的数据报）并进行发送。
IP层在内存中有一个路由表。
当收到一份数据报并进行发送时，它都要对该表搜索一次。
当数据报来自某个网络接口时，IP首先检查目的IP地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。
如果确实是这样，数据报就被送到由IP首部协议字段所指定的协议模块进行处理。
如果数据报的
目的不是这些地址，那么
（1）如果IP层被设置为路由器的功能，那么就对数据报进行转发
（也就是说，像下面对待发出的数据报一样处理）；否则
（2）数据报被丢弃。
路由表中的每一项都包含下面这些信息：
•目的IP地址。
它既可以是一个完整的主机地址，也可以是一个网络地址，由该表目中的标
志字段来指定（如下所述）。
主机地址有一个非0的主机号（见图1-5），以指定某一特定的主机，而网络地址中的主机号为0，以指定网络中的所有主机（如以太网，令牌环网）。
•下一站（或下一跳）路由器（next-hoprouter）的IP地址，或者有直接连接的网络IP地
址。
下一站路由器是指一个在直接相连网络上的路由器，通过它可以转发数据报。
下一站路由器不是最终的目的，但是它可以把传送给它的数据报转发到最终目的。
•标志。
其中一个标志指明目的IP地址是网络地址还是主机地址，另一个标志指明下一站路由器是否为真正的下一站路由器，还是一个直接相连的接口（我们将在9.2节中详细介绍这些标志）。
•为数据报的传输指定一个网络接口。
IP路由选择是逐跳地（hop-by-hop）进行的。
从这个路由表信息可以看出，IP并不知道到达任何目的的完整路径（当然，除了那些与主机直接相连的目的）。
所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的IP地址。
它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的，而且下一站路由器与该主机是直接相连的。
IP路由选择主要完成以下这些功能：
1）搜索路由表，寻找能与目的IP地址完全匹配的表目（网络号和主机号都要匹配）。
如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。
2）搜索路由表，寻找能与目的网络号相匹配的表目。
如果找到，则把报文发送给该表目
指定的下一站路由器或直接连接的网络接口（取决于标志字段的值）。
目的网络上的所有主机都可以通过这个表目来处置。
例如，一个以太网上的所有主机都是通过这种表目进行寻径的。
这种搜索网络的匹配方法必须考虑可能的子网掩码。
关于这一点我们在下一节中进行讨论。
3）搜索路由表，寻找标为“默认（default）”的表目。
如果找到，则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。
如果上面这些步骤都没有成功，那么该数据报就不能被传送。
如果不能传送的数据报来自本机，那么一般会向生成数据报的应用程序返回一个“主机不可达”或“网络不可达”的错误。
完整主机地址匹配在网络号匹配之前执行。
只有当它们都失败后才选择默认路由。
默认
路由，以及下一站路由器发送的ICMP间接报文（如果我们为数据报选择了错误的默认路由），是IP路由选择机制中功能强大的特性。
我们在第9章对它们进行讨论。
为一个网络指定一个路由器，而不必为每个主机指定一个路由器，这是IP路由选择机制的另一个基本特性。
这样做可以极大地缩小路由表的规模，比如Internet上的路由器有只有几千个表目，而不会是超过100万个表目。
举例
首先考虑一个简单的例子：
我们的主机bsdi有一个IP数据报要发送给主机sun。
双方都在
同一个以太网上（参见扉页前图）。
数据报的传输过程如图3-3所示。
当IP从某个上层收到这份数据报后，它搜索路由表，发现目的IP地址（140.252.13.33）在
一个直接相连的网络上（以太网140.252.13.0）。
于是，在表中找到匹配网络地址（在下一节中，我们将看到，由于以太网的子网掩码的存在，实际的网络地址是140.252.13.32，但是这并不影响这里所讨论的路由选择）。
数据报被送到以太网驱动程序，然后作为一个以太网数据帧被送到sun主机上
（见图2-1）。
IP数据报中的目的地址是
sun的IP地址（140.252.13.33），而在链
目的网络=
140.252,13,0
以太网140.252.13
链路层IP首
路层首部中的目的地址是48bit的sun主机的以太网接口地址。
这个48bit的以太网地址是用ARP协议获得的，我们将在下一章对此进行描述。
首部部
目的目的
图3-3数据报从主机bsdi到sun的传送过程
现在来看另一个例子：
主机bsdi有一份IP数据报要传到主机上，它的IP地址是192.48.96.9。
经过的前三个路由器如图3-4所示。
首先，主机bsdi搜索路由表，但是没有找到与主机地址或网络地址相匹配的表目，因此只能用默认的表目，把数据报传给下一站路由器，即主机sun。
当数据报从bsdi被传到sun主机上以后，目的IP地址是最终的信宿机地址（192.48.96.9），但是链路层地址却是sun主机的以太网接口地址。
这与图3-3不同，在那里数据报中的目的IP地址和目的链路层地址都指的是相同的主机（sun）。
目的以太网=以太网的140.252.1.4
目的IP=192.48.96.9
下一站=
140.252.104.2（默认）
链路层IP
首部首部
以太网，140.252.1
调制解调器
下一站=
140.252.1.4（默认）
IP
首部
调制解调器
目的IP=192.48.96.9
下一站=
140.252.13.33（默认）
下一站=
140.252.1.183（默认）
以太网，140.252.13
链路层IP
首部首部
目的IP=192.48.96.9
目的以太网=以太网的140.252.13.33
图3-4从bsdi到（192.48.96.9）的初始路径
当sun收到数据报后，它发现数据报的目的IP地址并不是本机的任一地址，而sun已被设置成具有路由器的功能，因此它把数据报进行转发。
经过搜索路由表，选用了默认表目。
根据sun的默认表目，它把数据报转发到下一站路由器netb，该路由器的地址是140.252.1.183。
数据报是经过点对点SLIP链路被传送的，采用了图2-2所示的最小封装格式。
这里，我们没有给出像以太网链路层数据帧那样的首部，因为在SLIP链路中没有那样的首部。
当netb收到数据报后，它执行与sun主机相同的步骤：
数据报的目的地址不是本机地址，而netb也被设置成具有路由器的功能，于是它也对该数据报进行转发。
采用的也是默认路由表目，把数据报送到下一站路由器gateway（140.252.1.4）。
位于以太网140.252.1上的主机netb用ARP获得对应于140.252.1.4的48bit以太网地址。
这个以太网地址就是链路层数据帧头上的目的地址。
路由器gateway也执行与前面两个路由器相同的步骤。
它的默认路由表目所指定的下一站路由器IP地址是140.252.104.2（我们将在图8-4中证实，使用Traceroute程序时，它就是gateway使用的下一站路由器）。
对于这个例子需要指出一些关键点：
1）该例子中的所有主机和路由器都使用了默认路由。
事实上，大多数主机和一些路由器可以用默认路由来处理任何目的，除非它在本地局域网上。
2）数据报中的目的IP地址始终不发生任何变化（在8.5节中，我们将看到，只有使用源路由选项时，目的IP地址才有可能被修改，但这种情况很少出现）。
所有的路由选择决策都是基于这个目的IP地址。
3）每个链路层可能具有不同的数据帧首部，而且链路层的目的地址（如果有的话）始终指的是下一站的链路层地址。
在例子中，两个以太网封装了含有下一站以太网地址的链路层首部，但是SLIP链路没有这样做。
以太网地址一般通过ARP获得。
在第9章，我们在描述了ICMP之后将再次讨论IP路由选择问题。
我们将看到一些路由表的例子，以及如何用它们来进行路由决策的。
3.4子网寻址
现在所有的主机都要求支持子网编址（RFC950[MogulandPostel1985]）。
不是把IP地址看成由单纯的一个网络号和一个主机号组成，而是把主机号再分成一个子网号和一个主机号。
这样做的原因是因为A类和B类地址为主机号分配了太多的空间，可分别容纳的主机数为
224-2和216-2。
事实上，在一个网络中人们并不安排这么多的主机（各类IP地址的格式如图1-5
所示）。
由于全0或全1的主机号都是无效的，因此我们把总数减去2。
在InterNIC获得某类IP网络号后，就由当地的系统管理员来进行分配，由他（或她）来决
定是否建立子网，以及分配多少比特给子网号和主机号。
例如，这里有一个B类网络地址
（140.252），在剩下的16bit中，8bit用于子网号，8bit用于主机号，格式如图3-5所示。
这样就允许有254个子网，每个子网可以有254台主机。
16位8位8位
B类网络号=140.252
子网号
主机号
图3-5B类地址的一种子网编址
许多管理员采用自然的划分方法，即把B类地址中留给主机的16bit中的前8bit作为子网地址，后8bit作为主机号。
这样用点分十进制方法表示的IP地址就可以比较容易确定子网号。
但是，并不要求A类或B类地址的子网划分都要以字节为划分界限。
大多数的子网例子都是B类地址。
其实，子网还可用于C类地址，只是它可用的比特数较少而已。
很少出现A类地址的子网例子是因为A类地址本身就很少（但是，大多数A类地址都是进行子网划分的）。
子网对外部路由器来说隐藏了内部网络组织（一个校园或公司内部）的细节。
在我们的网络例子中，所有的IP地址都有一个B类网络号140.252。
但是其中有超过30个子网，多于400台主机分布在这些子网中。
由一台路由器提供了Internet的接入，如图3-6所示。
在这个图中，我们把大多数的路由器编号为Rn，n是子网号。
我们给出了连接这些子网的路由器，同时还包括了扉页前图中的九个系统。
在图中，以太网用粗线表示，点对点链路用虚线表示。
我们没有画出不同子网中的所有主机。
例如，在子网140.252.3上，就超过50台主机，而在子网140.252.1上则超过100台主机。
与30个C类地址相比，用一个包含30个子网的B类地址的好处是，它可以缩小Internet路由表的规模。
B类地址140.252被划分为若干子网的事实对于所有子网以外的Internet路由器都是透明的。
为了到达IP地址开始部分为140.252的主机，外部路由器只需要知道通往IP地址
140.252.104.1的路径。
这就是说，对于网络140.252只需一个路由表目，而如果采用30个C类地址，则需要30个路由表目。
因此，子网划分缩减了路由表的规模（在10.8小节中，我们将介绍一种新技术，即使用C类地址也可以缩减路由表的规模）。
子网对于子网内部的路由器是不透明的。
如图3-6所示，一份来自Internet的数据报到达gateway，它的目的地址是140.252.57.1。
路由器gateway需要知道子网号是57，然后把它送到kpno。
同样，kpno必须把数据报送到R55，最后由R55把它送到R57。
图3-6网络noao.edu（140.252）中的大多数子网安排
3.5子网掩码
任何主机在引导时进行的部分配置是指定主机IP地址。
大多数系统把IP地址存在一个磁盘文件里供引导时读用。
在第5章我们将讨论一个无盘系统如何在引导时获得IP地址。
除了IP地址以外，主机还需要知道有多少比特
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