IP數(shù)據(jù)報(bào)的傳遞

網(wǎng)絡(luò)層的產(chǎn)生也是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的結(jié)果。當(dāng)數(shù)據(jù)通信需要跨網(wǎng)段并且有多條通信路徑可選擇時(shí)，這就產(chǎn)生了如何把任意兩臺(tái)主機(jī)連接起來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議很好地解決了這一問(wèn)題。在這里我們需要先了解IP協(xié)議及IP數(shù)據(jù)單元的格式，然后再分析IP協(xié)議的工作原理。

1. IP協(xié)議

IP協(xié)議(Internet Protocol，網(wǎng)際協(xié)議)即網(wǎng)間互連協(xié)議。IP協(xié)議是使連接到Internet上的所有計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相互通信的一套約定或應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)則。這套規(guī)則確保了網(wǎng)間的連接、網(wǎng)間的尋址以及網(wǎng)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能得以實(shí)現(xiàn)。所以，它是網(wǎng)絡(luò)層中最重要的協(xié)議.它與TCP協(xié)議一起構(gòu)成了TCP/IP協(xié)議族的核心.IP協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層提供的是無(wú)連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

何謂無(wú)連接的、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸呢?

在網(wǎng)絡(luò)層傳送IP包就好比我們生活中在郵局寄送的平信，每封平信有確定的目的地址，平信在傳送過(guò)程中可能走的路徑不同，平信在寄送的途中是沒(méi)有保證的;在發(fā)信人與收信人這一對(duì)有關(guān)聯(lián)的主體之間沒(méi)有直接的制約關(guān)系(可理解為無(wú)連接的)，如果平信在傳送途中丟失，郵局是不負(fù)責(zé)的(可理解為不可靠的)。也就是說(shuō)，IP包在網(wǎng)絡(luò)傳輸中，發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)層與接收端的網(wǎng)絡(luò)層之間不需要建立北京網(wǎng)站設(shè)計(jì)連接，發(fā)送端的網(wǎng)絡(luò)層也無(wú)須關(guān)心IP包是否送到接收端的網(wǎng)絡(luò)層。

2. IP數(shù)據(jù)單元格式

IP協(xié)議的數(shù)據(jù)單元也很復(fù)雜，如圖4-14所示。IP協(xié)議頭主要由12個(gè)域組成，加上傳輸層傳遞下來(lái)的數(shù)據(jù)單元就構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)報(bào)，也稱(chēng)之為IP包。 IP協(xié)議頭的構(gòu)成，每行為32個(gè)bit位，其中各域含義解釋如下.版本(Version):指的是IP協(xié)議版本號(hào)，目前是4，即指IPv4a頭長(zhǎng)度(Internet Header Length,IH L):指的是IF協(xié)議頭長(zhǎng)度，以4個(gè)B為1個(gè)單位，最小值為5，即最小的IP協(xié)議頭有20個(gè)字節(jié)(沒(méi)有可選項(xiàng)時(shí))。

服務(wù)類(lèi)型(Type of Service,TOS):由8個(gè)bit組成，在不同位置的bit設(shè)置可代表不同的服務(wù)類(lèi)型.有數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)(現(xiàn)已被忽略)、低時(shí)延、高吞吐、高可靠和最小費(fèi)用等服務(wù)類(lèi)型，否則就意味著是一般服務(wù)。

總長(zhǎng)度(Total Length, TL):指整個(gè)IF包的長(zhǎng)度，以B為單位。利用協(xié)議頭長(zhǎng)度和總長(zhǎng)度，就可以知道IF包中數(shù)據(jù)的起始位置和長(zhǎng)度。

標(biāo)識(shí)(Identification):標(biāo)識(shí)主機(jī)發(fā)送的每一份IF包的編碼(ID)，占16位.通常每發(fā)送一份IP包它的值就會(huì)加1。

IF包是在網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，而不同網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型在鏈路層都具有最大傳輸單元(MTU)限制這一特性，如以太網(wǎng)的MTU是1500B，這個(gè)1500B就是網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議數(shù)據(jù)單元的最大值。如果IP包總長(zhǎng)度超過(guò)了MTU，那么網(wǎng)絡(luò)層就要對(duì)IF包進(jìn)行分片，使每一報(bào)片的長(zhǎng)度小于或等于MTU。此時(shí)這16位的標(biāo)識(shí)在IF包分片后將被復(fù)制到每一報(bào)片中。在接收端，數(shù)據(jù)報(bào)片的重組依據(jù)就是這個(gè)ID標(biāo)識(shí)。

R:保留未用。

DF(Don't Fragment) : IP包不分片標(biāo)志，占1bit。值為1時(shí)表示網(wǎng)絡(luò)層將不對(duì)IP包進(jìn)行分片。

MF(More Fragment):報(bào)片標(biāo)志。值為0表示當(dāng)前數(shù)據(jù)報(bào)是最后一片;值為1表示非最后一報(bào)片，后續(xù)還有其他報(bào)片。

片偏移(Fragment Offset, FO):該報(bào)片偏移原始數(shù)據(jù)報(bào)開(kāi)始處的位置.偏移的字節(jié)數(shù)是該偏移值乘以8。

另外，當(dāng)IP包被分片后，每個(gè)報(bào)片的總長(zhǎng)度值要改為該片的長(zhǎng)度值。接收端收到最后一個(gè)報(bào)片，從它的長(zhǎng)度和片偏移計(jì)算出數(shù)據(jù)報(bào)總長(zhǎng)度，再與所有到達(dá)的報(bào)片長(zhǎng)度和比較，依此來(lái)判斷報(bào)片的完整性，然后進(jìn)行重組。

生存時(shí)間(Time To Live, TTL):設(shè)置了IP包可以經(jīng)過(guò)的最多路由器個(gè)數(shù)(有關(guān)TTL的單位請(qǐng)參考第11章問(wèn)題4-5的解釋)。TTL的初始值由源主機(jī)設(shè)置，經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器，它的值就減1。當(dāng)該域的值為0時(shí)，IP包就被路由器丟棄，并發(fā)送ICMP報(bào)文通知源主機(jī)。

協(xié)議(Protocol, PROT):指出上層的協(xié)議類(lèi)型。具體指的是TCP或UDP的協(xié)議編碼。

頭校驗(yàn)和(Header checksum):是根據(jù)IP協(xié)議頭計(jì)算的“校驗(yàn)和”碼。如果“校驗(yàn)和”有誤就丟棄IP包，但是不生成差錯(cuò)報(bào)文。重傳控制將由傳輸層控制來(lái)發(fā)現(xiàn)被丟棄的數(shù)據(jù)報(bào)并進(jìn)行重傳。

源IP地址:每個(gè)Ip包都必須包含發(fā)送端的源IP地址，是一個(gè)32bit的值。

目的IP地址:每個(gè)IP包也都需要包含接收端的IP地址，也是一個(gè)32bit的值。

可選字段(Options):一個(gè)可變長(zhǎng)的選項(xiàng)，用于安全、調(diào)試等，也為以后擴(kuò)展或升級(jí)之用(該字段的應(yīng)用請(qǐng)參見(jiàn)第11章問(wèn)題4-6解釋)。

填充(Padding):在必要時(shí)插人一定的填充字節(jié)，以確保IP協(xié)議頭始終是32bit的整數(shù)倍。

數(shù)據(jù):是傳輸層提交下來(lái)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

從IP包的協(xié)議頭可知，IP協(xié)議頭的大小有兩種:當(dāng)沒(méi)有“選項(xiàng)”這個(gè)域時(shí)，為160位即20個(gè)字節(jié);當(dāng)有“選項(xiàng)”域時(shí)，為192位即24個(gè)字節(jié)。

3. IP協(xié)議的工作原理

IP是怎樣實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的?

早期各公司的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不能互通，也不能互連。原因是它們?cè)诟髯跃W(wǎng)絡(luò)中所傳送的數(shù)據(jù)基本單元(即數(shù)據(jù)幀)的格式不同。有了IP協(xié)議，不同的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)。可以這樣理解lip協(xié)議就是一套由程序構(gòu)成的協(xié)議軟件，它把各種不同的“數(shù)據(jù)幀”統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成“IP包”格式，實(shí)現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上的傳送。這種轉(zhuǎn)換是Internet的一個(gè)最重要的特點(diǎn)，它使異種網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也能在Internet上實(shí)現(xiàn)相互通信，也使Internet具有了真正意義上的“開(kāi)放性”特征。

那么，"IP包"是什么?

由IP數(shù)據(jù)單元格式的構(gòu)成可見(jiàn)，IP包就是一個(gè)無(wú)連接的，并且是獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸單元，它攜帶了數(shù)據(jù)來(lái)自哪里，以及將要送到哪里等明確的標(biāo)識(shí)(即IP地址)。這樣，IP包在網(wǎng)絡(luò)間傳送時(shí)，就不需要一定先建立一條數(shù)據(jù)通道，而是每個(gè)IP包都可經(jīng)由不同的傳輸路徑獨(dú)立地向目的地傳送。

【舉例】如圖4-15所示，IP協(xié)議的基本工作原理分析。當(dāng)通信兩端(主機(jī)A和主機(jī)B)位于不同的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，數(shù)據(jù)的傳送需要經(jīng)由路由器跨網(wǎng)傳遞。發(fā)送端A只需將IP包(需要分片時(shí)先分片處理)交給第一路由器RI即可。路由器R1根據(jù)IP包攜帶的目的標(biāo)識(shí)，進(jìn)行路徑選擇并轉(zhuǎn)發(fā)給下一路由器(R2或R3).下一路由器再轉(zhuǎn)發(fā)到其下一路由器R4,路由器R4最后將IP包傳送到目的主機(jī)。在目的主機(jī)B端，收到IP包后進(jìn)行協(xié)議頭校驗(yàn)和檢驗(yàn)，將檢驗(yàn)失敗的IP包.直接丟棄(不會(huì)向發(fā)送端回送任何差錯(cuò)報(bào)文);將校驗(yàn)無(wú)誤的IP包提取數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)直接交給上層傳輸層。
由此可見(jiàn)，在網(wǎng)絡(luò)層IP包的傳送不僅是無(wú)連接的，而且目的端IP包的到達(dá)是無(wú)序的，并且是不可靠的。

4.網(wǎng)絡(luò)層其他協(xié)議

在網(wǎng)絡(luò)層，除了非常重要的IP協(xié)議之外，還有兩個(gè)比較重要的協(xié)議在此簡(jiǎn)單介紹如下。

1)ICMP協(xié)議

ICMP(Internet Control Message Protocollnternet，網(wǎng)際控制消息協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議族的一個(gè)子協(xié)議，主要用于在主機(jī)、路由器之間傳遞控制信息。這些控制消息是指網(wǎng)絡(luò)本身的消息，如網(wǎng)絡(luò)是否通暢、主機(jī)是否可達(dá)、路由是否可用、IP包路由傳送已超過(guò)“生存時(shí)間”等，還包括報(bào)告錯(cuò)誤、交換受限等控制和狀態(tài)信息.這些控制消息雖然并不傳輸用戶(hù)數(shù)據(jù)，但是對(duì)于用戶(hù)數(shù)據(jù)的傳遞起著重要的作用。

在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，我們經(jīng)常會(huì)得到ICMP提供的消息，只不過(guò)常常被忽略了而已。如某主機(jī)處于關(guān)閉或維護(hù)狀態(tài)，不提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)，ICMP就可以對(duì)發(fā)起的TCP連接給出一個(gè)終止(Destination Unreachable)通告，告知主機(jī)不可達(dá)。又如我們?cè)跈z查網(wǎng)絡(luò)是否通暢時(shí)，常常使用ping命令，這個(gè)命令就是一項(xiàng)基于ICMP協(xié)議的應(yīng)用，ping命令返回的信息均是由ICMP協(xié)議提供的報(bào)告。

2) ARP協(xié)議

ARP(Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議)用于通過(guò)主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址(即32位的IP地址)解析出該主機(jī)的物理地址(即48位的MAC地址)。

在Internet網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)層之下是網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)層，其對(duì)應(yīng)于局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。在數(shù)據(jù)鏈路層中，數(shù)據(jù)通信是以“數(shù)據(jù)幀”為傳輸單位，而“數(shù)據(jù)幀”的尋址方式是依據(jù)通信兩端點(diǎn)的MAC地址來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，網(wǎng)絡(luò)層的IP包進(jìn)人網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)層后，下一步的傳輸必須要知道下一鏈接點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)的物理地址即MAC地址。如何找到下一鏈接點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)的MAC地址，就是由ARP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的。