每天五分钟带你精通tcp/ip网络(3)Internet Protocol(IP)协议

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。IP的标准规范在RFC791中有明确的定义

1、IP报文格式

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    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                       Source Address                          |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Destination Address                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

最高位在左边，记为0 bit；最低位在右边，记为31 bit。4个字节的32 bit值以下面的次序传输：首先是0～7 bit，其次8～15 bit，然后1 6～23 bit，最后是24~31 bit。这种传输次序称作big endian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little endian格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。这样才能保证无论是大端序还是小端序机器间能正常通信。

• Version：协议的版本号有IPv4，IPv6等

• IHL：Internet Header Length是首部占32 bit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。普通I P数据报（没有任何选择项）字段的值是5。所以一般普通IP报文首部就是20字节大小（4 * 5）

• Type of Service：暂不讨论，一般都不支持

• Total Length：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。尽管可以传输一个65535字节长的数据报，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会把用户数据报分成若干片，因此一般来说这个限制不会影响TCP，但对UDP的应用，如RIP,TFTP,BOOTP,DNS以及SNMP，它们通常都是限制用户数据报长度为512字节，小于576B

• Identification：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，对于同一分组的报文它的ID是相同的，用来帮助接收端重新组装报文

• Flags&Fragment Offset：用于报文是否分片

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Bit 0: reserved, must be zero
      Bit 1: (DF) 0 = May Fragment,  1 = Don't Fragment.
      Bit 2: (MF) 0 = Last Fragment, 1 = More Fragments.

          0   1   2
        +---+---+---+
        |   | D | M |
        | 0 | F | F |
        +---+---+---+

• 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。

• Header CheckSum 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。

  计算一个IP数据报检验和的方法如下：首先把检验和字段置为0；然后对首部16个字节进行二进制反码求和，结果存在检验和字段中。当收到一份IP数据报后，同样对首部进行二进制反码求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的校验和，因此，如果首部在传输过程没有任何差错，那么接收方计算结果应该为全1

• Source Address&Destination Address ：报文的源地址和目的地址

• Options ：很少用到，像源策略路由会在options放入经过的路由地址

下面的是抓到的分片的IP报文，可以对照RFC定义的报文的格式看一下

2、IP路由

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，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）。
• 下一跳：路由next-hop 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。下一跳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I P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。
• 出接口：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所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的I P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。

3、Linux&Windows 路由表

linux主机路由表：

输出项 说明

• Destination 目标网段或者主机
• Gateway 网关地址，”*” 表示目标是本主机所属的网络，不需要路由
• Genmask 网络掩码
• Flags 标记。一些可能的标记如下：

• U — 路由是活动的
• H — 目标是一个主机
• G — 路由指向网关
• R — 恢复动态路由产生的表项
• D — 由路由的后台程序动态地安装
• M — 由路由的后台程序修改
• ! — 拒绝路由
• Metric 路由距离，到达指定网络所需的中转数（linux 内核中没有使用）
• Ref 路由项引用次数（linux 内核中没有使用）
• Use 此路由项被路由软件查找的次数
• Iface 该路由表项对应的输出接口

操作系统路由表中的路由可以分为以下3种：

1. 主机路由：主机路由是路由选择表中指向单个IP地址或主机名的路由记录。主机路由的Flags字段为H。例如，在下面的示例中，本地主机通过IP地址192.168.1.1的路由器到达IP地址为10.0.0.10的主机。

2. 网络路由：网络路由是代表主机可以到达的网络。网络路由的Flags字段为N。例如，在下面的示例中，本地主机将发送到网络192.19.12的数据包转发到IP地址为192.168.1.1的路由器。

3. 默认路由：当主机不能在路由表中查找到目标主机的IP地址或网络路由时，数据包就被发送到默认路由（默认网关）上。默认路由的Flags字段为G。例如，在下面的示例中，默认路由是IP地址为192.168.1.1的路由器。

windows主机路由表：

• Active Routes： 活动的路由
• Network destination ：目的网段
• Netmask： 子网掩码
• Gateway： 网关，又称下一跳路由器。在发送IP数据包时，网关定义了针对特定的网络目的地址，数据包发送到的下一跳服务器。如果是本地计算机直接连接到的网络，网关通常是本地计算机对应的网络接口，但是此时接口必须和网关一致；如果是远程网络或默认路由，网关通常是本地计算机所连接到的网络上的某个服务器或路由器。
• Interface： 接口，接口定义了针对特定的网络目的地址，本地计算机用于发送数据包的网络接口。网关必须位于 和接口相同的子网（默认网关除外），否则造成在使用此路由项时需调用其他路由项，从而可能会导致路由死锁。
• Metric： 跳数，跳数用于指出路由的成本，通常情况下代表到达目标地址所需要经过的跳跃数量，一个跳数代表经过一个路由器。跳数越低，代表路由成本越低，优先级越高。
• Persistent Routes： 手动配置的静态固化路由

1. 第1条路由信息：缺省路由（也即默认路由）当系统接收到一个目的地址不在路由表中的数据包时，系统会将该数据包通过192.168.1.100这个接口发送到缺省网关192.168.1.1。
2. 第2~3条路由信息：本地环回路由。当系统接收到一个发往目标网段127.0.0.0的数据包时，系统将接收发送给该网段的所有数据包。
3. 第5、8、11条路由信息：直连网段的路由记录。当系统接收到一个发往目的网段192.168.x.0/24的数据包时，系统会将该数据包通过192.168.x.x这个接口发送出去。
4. 第6、9、12条路由信息：本地主机路由。当系统接收到一个目标ip地址为本地网卡ip地址的数据包时，系统会将该数据包收下。
5. 第7、10、13条路由信息：本地广播路由。当系统接收到一个发给直连网段的本地广播数据包时，系统会将该数据包从192.168.x.x这个接口以广播的形式发送出去。
6. 第14~17条路由信息：组播路由。当系统接收到一个组播数据包时，系统会将该数据包从127.0.0.1/192.168.x.x这个接口以组播的形式发送出去。
7. 第18~21条路由信息：广播路由。在系统接收到一个绝对广播数据包时，系统会将该数据包通过127.0.0.1/192.168.x.x这个接口发送出去。