第4章--IP協(xié)議.ppt

1、第5章 IP協(xié)議,因特網(wǎng)的核心協(xié)議是IP和TCP兩大協(xié)議。 作用：IP協(xié)議是TCP/IP協(xié)議簇中的核心協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罨痉?wù)，是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基本協(xié)議。 位置：IP協(xié)議位于網(wǎng)絡(luò)層，位于同一層次的協(xié)議還有下面的ARP和RARP以及上面的因特網(wǎng)控制報文協(xié)議ICMP和因特網(wǎng)組管理協(xié)議IGMP。 （P44） 關(guān)系：ARP和RARP報文不被封裝在IP數(shù)據(jù)報中，而ICMP和IGMP的數(shù)據(jù)則要封裝在IP數(shù)據(jù)報中進行傳輸。由于IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層中具有重要的地位，人們又將TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層稱為IP層。 IP是不可靠的無連接數(shù)據(jù)報協(xié)議，提供盡力而為的傳輸服務(wù)。,正因為IP協(xié)議采用了盡力傳輸?shù)乃枷?，所?/p>

2、使得IP協(xié)議的效率非常高，實現(xiàn)起來也較簡單。 IP層通過IP地址實現(xiàn)了物理地址的統(tǒng)一； 通過IP數(shù)據(jù)報實現(xiàn)了物理數(shù)據(jù)幀的統(tǒng)一。IP層通過對以上兩個方面的統(tǒng)一達到了向上屏蔽底層差異的目的。 重點討論IP數(shù)據(jù)報的格式和無連接數(shù)據(jù)報的傳輸機制。,第5章 IP協(xié)議,5.1 IP數(shù)據(jù)報格式 5.2 無連接數(shù)據(jù)報傳輸 5.3 IP數(shù)據(jù)報選項 5.4 IP模塊的結(jié)構(gòu),5.1 IP數(shù)據(jù)報格式,IP協(xié)議所處理的數(shù)據(jù)單元稱為IP數(shù)據(jù)報。,IP數(shù)據(jù)報=首部+數(shù)據(jù) IP數(shù)據(jù)報首部分為定長部分和變長部分。 （1）版本(4位)表示數(shù)據(jù)報的IP協(xié)議版本，版本號規(guī)定了數(shù)據(jù)報的格式。IPv4=4 （2）首部長度(4位)指出數(shù)據(jù)

3、報首部長度(32位為單位)。 （3）服務(wù)類型(8位)規(guī)定對本數(shù)據(jù)報的處理方式。服務(wù)類型的含義如圖1-2所示。,服務(wù)類型,隨著因特網(wǎng)應(yīng)用的迅速發(fā)展，多媒體數(shù)據(jù)傳輸和實時應(yīng)用對TCP/IP的服務(wù)類型提出了更高的要求，為此，因特網(wǎng)工程任務(wù)組IETF將IP數(shù)據(jù)報的服務(wù)類型字段改成了區(qū)分業(yè)務(wù)字段。區(qū)分業(yè)務(wù)字段仍然是8位，最后兩位保留未用，前面6位為“碼點” 。6位碼點可以提供64種不同的編碼，對應(yīng)不同的業(yè)務(wù)。,（4）數(shù)據(jù)報總長度指示整個IP數(shù)據(jù)報的長度。 數(shù)據(jù)長度=數(shù)據(jù)報總長度首部長度4 （5）標(biāo)識(16位)由信源機賦給IP數(shù)據(jù)報，每個IP數(shù)據(jù)報有一個本地惟一的標(biāo)識符。數(shù)據(jù)報的標(biāo)識由信源機產(chǎn)生，每次自動

4、加1后分配給要發(fā)送的數(shù)據(jù)報。 （6）標(biāo)志(3位)用于表示該IP數(shù)據(jù)報是否允許分片和是否是最后的一片。 （7）片偏移(13位)表示本片數(shù)據(jù)在它所屬的原始數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)區(qū)中的偏移量（以8字節(jié)為單位）。 （8）生存時間TTL(8位)控制IP數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時間。 （9）協(xié)議(8位)指明被IP數(shù)據(jù)報封裝的協(xié)議。（P83）,（10）首部校驗和(16位)用于保證首部數(shù)據(jù)的完整性。 （11）源地址表示本IP數(shù)據(jù)報的最初發(fā)送者的IP地址；目的地址一般表示本IP數(shù)據(jù)報最終接收者的IP地址。 （12）IP選項用于控制數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑、記錄數(shù)據(jù)報走過的路由器以及獲取數(shù)據(jù)報所途徑經(jīng)過的路由器的時間戳。 （13）

5、數(shù)據(jù)字段用于攜帶上層數(shù)據(jù)，長度受數(shù)據(jù)報總長度限制(65535首部長度4)。,返回,5.2 無連接數(shù)據(jù)報傳輸,IP數(shù)據(jù)報傳輸是IP層要解決的重要問題之一，是影響數(shù)據(jù)傳輸效率的一個重要因素。 IP數(shù)據(jù)報在經(jīng)過路由器進行轉(zhuǎn)發(fā)時一般要進行三個方面的處理： 首部校驗 路由選擇 數(shù)據(jù)分片 這一節(jié)將討論通常首部校驗和數(shù)據(jù)分片問題。,5.2.1 首部校驗,IP層不對數(shù)據(jù)進行校驗。原因：上層傳輸層是端到端的協(xié)議，進行端到端的校驗比進行點到點的校驗開銷小得多，在通信線路較好的情況下尤其如此。另外，上層協(xié)議可以根據(jù)對于數(shù)據(jù)可靠性的要求，選擇進行校驗或不進行校驗，甚至可以考慮采用不同的校驗方法，這給系統(tǒng)帶來很大的靈活

6、性。 IP協(xié)議對IP數(shù)據(jù)報首部進行校驗。原因： IP首部屬于IP層協(xié)議的內(nèi)容，不可能由上層協(xié)議處理。 IP首部中的部分字段在點到點的傳遞過程中是不斷變化的，只能在每個中間點重新形成校驗數(shù)據(jù)，在相鄰點之間完成校驗。,兩個層次的校驗如圖所示。 IP數(shù)據(jù)報的首部通過校驗和（Checksum）來保證其正確性。,計算首部校驗和： 發(fā)送方將IP數(shù)據(jù)報的首部按順序分為多個16比特的小數(shù)據(jù)塊 首部校驗和字段的初始值被設(shè)置為0 用1的補碼算法對16比特小數(shù)據(jù)塊進行求和 最后再對結(jié)果求補 將經(jīng)過計算得到的首部校驗和填回到數(shù)據(jù)報的首部校驗和字段，封裝成幀后發(fā)給通往信宿的下一跳設(shè)備。 校驗：下一跳設(shè)備作為接收方將收到

7、的IP數(shù)據(jù)報的首部再分為多個16比特的小數(shù)據(jù)塊，用1的補碼算法對16位小數(shù)據(jù)塊進行求和，最后再對結(jié)果求補，若得到的結(jié)果為0，就驗證了數(shù)據(jù)報首部的正確性。,發(fā)送方用1的補碼計算和數(shù)時，首部校驗和字段被設(shè)置為0，等于沒有參加計算，求補后的校驗和與和數(shù)各位正好相反。 接收方用1的補碼計算和數(shù)時，新的首部校驗和字段已經(jīng)被加入，正確情況下所得的和數(shù)應(yīng)該為0 xffff，因此，求補后的結(jié)果應(yīng)該為0 x0000。,例子：本例中沒有IP選項，所以首部長度為5，數(shù)據(jù)總長度為128字節(jié)，數(shù)據(jù)報的標(biāo)識為1，未分片，TTL值為4，封裝的是TCP協(xié)議數(shù)據(jù)，源地址和目的地址分別為：192.168.20.86和192.16

8、8.21.20。 計算中要注意加上進位。生成的校驗和為3005。,接收方對同一數(shù)據(jù)報首部進行校驗：求補后得到的校驗和值為0，表明IP數(shù)據(jù)報首部在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯。,5.2.2 數(shù)據(jù)分片與重組,IP數(shù)據(jù)報在從信源到信宿的傳輸過程中要穿過多個不同的網(wǎng)絡(luò)。由于各種物理網(wǎng)絡(luò)存在著差異，對幀的最大長度有不同的規(guī)定，因此，各個物理網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸單元MTU可能不同。物理網(wǎng)絡(luò)的MTU是由硬件決定的。 通常，網(wǎng)絡(luò)的速度越高，MTU也就越大。 TCP/IP協(xié)議的封裝： 將數(shù)據(jù)報以從信源到信宿路徑上的最小MTU進行封裝(IPv6) 將數(shù)據(jù)報先以信源網(wǎng)絡(luò)的MTU進行封裝，在傳輸過程中再根據(jù)需要對數(shù)據(jù)報進行動態(tài)分

9、片(IPv4),1數(shù)據(jù)報分片,當(dāng)數(shù)據(jù)報被分片時，每個分片都會得到一個首部。分片首部的大部分內(nèi)容和原數(shù)據(jù)報相同，如IP地址、版本號、協(xié)議和數(shù)據(jù)報標(biāo)識等，所不同的是標(biāo)志字段、數(shù)據(jù)報總長度和片偏移。分片既可以帶也可以不帶原數(shù)據(jù)報的選項. 在IP數(shù)據(jù)報中與分片相關(guān)的字段是標(biāo)識字段、標(biāo)志字段和片偏移字段。 1)數(shù)據(jù)報標(biāo)識是分片所屬數(shù)據(jù)報的關(guān)鍵信息，是分片重組的依據(jù)。,2)標(biāo)志字段由3位構(gòu)成，低兩位有效，最高位未用；D位表示是否允許該數(shù)據(jù)報分片；M位表示該片是否是分片的最后一片。 3)片偏移字段指出本片數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)區(qū)中的偏移量。由于各分片獨立傳輸，其到達信宿機的順序無法保證，需要片偏移為重組提供順

10、序信息。,一個例子,該例子中數(shù)據(jù)報首部長度為20個字節(jié)，數(shù)據(jù)區(qū)長度為1600個字節(jié)，進入MTU為1420字節(jié)的物理網(wǎng)絡(luò)時進行第一次分片。第一次分片后，形成一個1400字節(jié)的分片和一個200字節(jié)的分片。第一片的片偏移為0（0/8），片未完標(biāo)志為1；第二片的片偏移為175（1400/8），片未完標(biāo)志為0，表示該片是數(shù)據(jù)報的最后一片。當(dāng)?shù)谝粋€分片進入MTU為820字節(jié)的物理網(wǎng)絡(luò)時再次進行分片。第二次分片后，又形成了一個800字節(jié)的分片和一個600字節(jié)的分片。前者的片偏移為0（0/8），片未完標(biāo)志為1；后者的片偏移為100（800/8），片未完標(biāo)志也為1。 分片必須滿足兩個條件： 各片盡可能大，但必須

11、能為幀所封裝， 片中數(shù)據(jù)的大小必須為8字節(jié)的整數(shù)倍，否則IP無法表達其偏移量。,2分片的重組,分片可以在信源機或傳輸路徑上的任何一臺路由器上進行，而分片的重組只能在信宿機上進行。 信宿機在進行分片的重組時，采用了一組重組定時器。開始重組時，啟動定時器，如果重組定時器超時時，仍然未能完成重組（由于某些分片未及時到達信宿機），信宿機的IP層將丟棄該數(shù)據(jù)報，并產(chǎn)生一個超時錯誤，報告給信源機。 片重組的控制主要根據(jù)數(shù)據(jù)報首部中的標(biāo)識、標(biāo)志和片偏移字段。 數(shù)據(jù)報的分片和重組操作對用戶和應(yīng)用程序的編程人員都是透明的，分片和重組操作由網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)自動完成。,返回,5.3 IP數(shù)據(jù)報選項,IP選項是IP數(shù)據(jù)報

12、首部中的變長部分 用于網(wǎng)絡(luò)控制和測試目的(如源路由、記錄路由、時間戳等)。 IP選項的最大長度不能超過40字節(jié)。 IP選項在使用時是可選的，但在TCP/IP軟件的實現(xiàn)中卻是必須有的，也就是說所有的IP協(xié)議都具有IP選項的處理功能。,5.3.1 選項格式,IP選項的格式如圖5-10所示。選項由三個部分組成： 選項碼(Option Code) 選項長度 選項數(shù)據(jù)。,選項碼由8位構(gòu)成，分為復(fù)制位(COPY)、選項類和選項號3個子字段。 復(fù)制位占一比特，用于控制分片時是否將選項復(fù)制到各個分片。復(fù)制位為“1”時，表示將原數(shù)據(jù)報所帶的選項復(fù)制到所有的分片中，復(fù)制位為“0”時，表示僅將選項復(fù)制到第一個分片中

13、。 選項類占2比特，用于定義選項的一般作用。 選項號占5比特，用于定義選項的具體類型。選項類區(qū)別選項的一般目的，而選項號則對同一類選項進行進一步的細化。 選項長度為8位，用于定義選項的長度。長度信息除包括選項數(shù)據(jù)部分的長度外還包括選項碼和長度字段本身。有些選項不含長度字段。 選項數(shù)據(jù)不定長，用于定義選項請求。選項是單方向發(fā)送的請求，不需要信宿機進行響應(yīng)。,5.3.2 選項類型,兩位IP選項類定義了四種選項類型：00用于IP數(shù)據(jù)報路徑的控制和測試；10用于時間戳的測試；01類和11類未用。 每一選項類又由選項號進行細分，其中00類中常用的有5個選項號，10類中只有1個選項號在用。 選項類選項號長

14、度 含義 0000000無選項結(jié)束 0000001無無操作(作為填充數(shù)據(jù)) 0000011 變長寬松源路由 0000111 變長記錄路徑 0001001變長嚴格源路由 1000100變長時間戳,1單字節(jié)選項,表中的前面兩個選項為單字節(jié)選項，負責(zé)標(biāo)識IP選項的結(jié)束和對IP數(shù)據(jù)報首部進行填充。當(dāng)IP數(shù)據(jù)報首部中選用了IP選項時，選項不定長，而數(shù)據(jù)報要求首部是32位的整數(shù)倍，若不是，則需要進行填充。 填充由“無操作”（No Operation）符和選項結(jié)束符（End of Option）組成。當(dāng)需要一個以上的字節(jié)對選項進行填充時，先用多個“無操作”符進行填充，最后用選項結(jié)束符結(jié)束整個選項。,2源路由

15、選項,作用：通常IP數(shù)據(jù)報在傳輸時，由路由器自動為其選擇路由。但網(wǎng)絡(luò)管理人員為了使數(shù)據(jù)報繞開出錯網(wǎng)絡(luò)，或者為了對某特定網(wǎng)絡(luò)的吞吐率進行測試，需要在信源機控制IP數(shù)據(jù)報的傳輸路徑。源路由(Source Route)就是為了滿足這一要求而設(shè)計的選項。 方法：源路由指由信源機上的發(fā)送者規(guī)定本數(shù)據(jù)報穿越網(wǎng)絡(luò)的路徑。 種類：源路由選項分為兩種。 嚴格源路由 寬松源路由,（1）嚴格源路由,嚴格源路由選項要求信源機上的發(fā)送者指定數(shù)據(jù)報必須經(jīng)過的每一個路由器。也就是說，數(shù)據(jù)報必須嚴格按照發(fā)送方規(guī)定的路徑穿過每一個路由器。嚴格源路由選項的格式如圖所示。,選項碼137的含義是：復(fù)制位為“1”（嚴格源路由分片時選項

16、要復(fù)制到各個分片)，選項類為“00”，選項號為“01001”，即128+0+9=137。 指針字段的含義： 當(dāng)設(shè)備（信源機或路由器）發(fā)出帶該選項的數(shù)據(jù)報時，指針指的是該設(shè)備的下下跳路由器的入口IP地址。 當(dāng)一個路由器收到數(shù)據(jù)報時，指針指的是該路由器的下一跳IP地址，路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報前要將指針值加4，這樣發(fā)出去的數(shù)據(jù)報的指針又指向了它的下下跳路由器的入口IP地址。 這里要注意的是，源路由對于數(shù)據(jù)報中目的IP地址的處理和一般情況下有所不同。在源路由傳輸過程中數(shù)據(jù)報的目的IP地址會不斷變化，而且選項中的IP地址表也會發(fā)生變化。,信源機從上層收到源路由IP地址表后，將第一個IP地址從列表中去掉（將該I

17、P地址作為當(dāng)前數(shù)據(jù)報的目的地址），再將剩余的表項前移，然后將最終要去的目的地址寫入到選項地址表的最后。結(jié)果如圖5-12中的A選項表所示。,（2）寬松源路由,寬松源路由IP選項的格式與嚴格源路由相同，如圖所示。所不同的是，寬松源路由在選項的IP地址表中并不給出一條完備的路徑，而是只給出路徑中的某些關(guān)鍵點，關(guān)鍵點之間無直接物理連接時，通過路由器的自動路由選擇功能進行補充。,3記錄路由,記錄路由選項用于記錄IP數(shù)據(jù)報從信源機到信宿機所經(jīng)過路徑上各路由器的IP地址。記錄路由選項格式與源路由選項格式相同，如圖所示。,地址區(qū)域的大小由源機預(yù)先分配(根據(jù)對所需記錄的地址數(shù)的估計)并初始化。 指針域指向地址區(qū)

18、域中下一個可存放地址的位置。假如預(yù)先分配的地址區(qū)域大小不足以記錄下全部路徑，IP軟件將放棄記錄余下地址的嘗試。,4時間戳,時間戳選項用于記錄IP數(shù)據(jù)報經(jīng)過各路由器時的當(dāng)?shù)貢r間，根據(jù)時間戳可以估算IP數(shù)據(jù)報從一個路由器到另一個路由器所花費的時間，從而幫助分析網(wǎng)絡(luò)的吞吐率和負載情況。時間戳選項格式與源路由選項格式類似，如圖5-15所示。 (0+64(10)+4=68),溢出域記錄因信源機分配的數(shù)據(jù)空間不夠而未能記錄下來的時戳個數(shù)。 標(biāo)志域用于控制時戳選項格式。其意義如下： 標(biāo)志值 意 義 0 只記錄時間，不記錄IP地址 1 時間、地址同時記錄 3 地址由源機指定，只記錄指定地址處的時間 時戳中的時間采用世界時間(universal time)表示，以千分之一秒為單位。 注意：1) 假如采用標(biāo)志值為“1”的時戳，該選項可以用于替代記錄路徑選項。 2)由于互聯(lián)網(wǎng)中各網(wǎng)關(guān)時鐘并不嚴格同步，時戳只能作為參考。,返回,5.4