5. IP 協議

5.1 概述

IP 協議是 TCP/IP 協議簇的核心協議，位于網絡層，提供不可靠、無連接的數據報服務，是實現網絡互聯的基礎。

• 核心作用：通過 IP 地址統一物理地址，通過 IP 數據報統一物理數據幀，屏蔽底層網絡差異，向上層提供統一服務。
• 相鄰協議：網絡層中，ARP、RARP 報文不封裝在 IP 數據報中，而 ICMP、IGMP、OSPF 數據需封裝在 IP 數據報中傳輸。
• 特點：
  1. 點到點協議：數據傳輸的對等實體是相鄰設備（同一網絡）的對等層實體。
  2. 不可靠性：不保證傳輸可靠性，不進行數據差錯校驗和跟蹤，若需可靠傳輸需依賴上層 TCP 協議。
  3. 無連接性：數據報獨立傳輸，可能經不同路徑，可能無序到達。

5.2 IP 數據報格式

IP 數據報由首部和數據兩部分組成，首部分為定長部分（20 字節）和變長部分（選項，最長 40 字節）。各字段詳細如下：

字段	位數	含義與細節
版本	4	標識 IP 協議版本，IPv4 為 4（二進制 0100），決定數據報格式。
首部長度	4	以 32 位（4 字節）為單位，指示首部總長度（定長 + 選項）。最小值為 5（20 字節，無選項），最大值為 15（60 字節，含 40 字節選項）。
服務類型（TOS）/ 區分業務字段	8	原 TOS 字段用于規定數據報處理方式（如優先級、延遲、吞吐量等）；后改為區分業務字段： - 前 6 位：區分業務碼點（64 個編碼，對應不同業務）； - 后 2 位：顯式擁塞通告（ECN，RFC 3168 定義），用于 TCP 擁塞控制： - 00：不支持 ECN； - 01/10：支持 ECN； - 11：路由器正經歷擁塞。
總長度	16	指示整個 IP 數據報的字節數（首部 + 數據），最大值為 65535 字節。數據長度 = 總長度 - 首部長度 ×4。
標識	16	信源機賦予數據報的唯一標識符（每次發送自動 + 1），用于分片重組時標識同一原始數據報。
標志	3	低 2 位有效，控制分片： - D 位（第 0 位）：0 = 允許分片，1 = 不允許分片（若超過 MTU 則丟棄并報錯）； - M 位（第 1 位）：0 = 本片是最后一片，1 = 后續還有分片。
片偏移	13	以 8 字節為單位，指示本片數據在原始數據報數據區中的偏移量（用于重組時確定順序）。
生存時間（TTL）	8	限制數據報在網絡中的傳輸時間，每經過一個路由器減 1，值為 0 時丟棄數據報（防止環路）。常見初始值：Windows 為 128，Linux 為 64。
協議	8	指示數據字段封裝的上層協議，如： - 1=ICMP；6=TCP；17=UDP；89=OSPF。
首部校驗和	16	保證首部完整性，僅校驗首部（不校驗數據）： - 發送方：將首部分為 16 位塊，校驗和字段設為 0，用 1 的補碼求和后求補，結果填入校驗和字段； - 接收方：重復計算，若結果為 0 則首部正確，否則丟棄。
源地址	32	數據報最初發送者的 IP 地址（32 位，點分十進制表示）。
目的地址	32	數據報最終接收者的 IP 地址（32 位，點分十進制表示）。
選項	可變（≤40 字節）	用于網絡控制和測試（如源路由、記錄路由、時間戳等），格式含選項碼、長度、數據（詳見 5.3）。
數據	可變	上層協議數據（如 TCP 報文段、UDP 數據報等），長度受總長度限制（≤65535 - 首部長度 ×4）。

5.3 無連接數據報傳輸

IP 數據報傳輸需處理首部校驗、數據分片與重組和路由選擇，核心是適應不同網絡的最大傳輸單元（MTU）。

5.3.1 首部校驗

• 僅校驗首部：因首部字段在傳輸中可能變化（如 TTL、校驗和），需在相鄰設備間逐跳校驗；數據校驗由上層協議（如 TCP）負責。
• 校驗過程：
  1. 發送方：將首部拆分為 16 位塊，校驗和字段設為 0，用 1 的補碼計算總和，再對結果求補，填入校驗和字段。
  2. 接收方：重復計算，若求和后求補結果為 0，則首部正確；否則丟棄數據報。

5.3.2 數據分片與重組

• 背景：不同物理網絡的最大傳輸單元（MTU，物理幀可封裝的最大數據字節數）不同，數據報長度超過 MTU 時需分片。
• 分片規則：
  1. 每個分片需攜帶完整首部（與原數據報首部大部分相同，僅標志、總長度、片偏移不同）。
  2. 分片數據大小需為 8 字節的整數倍（最后一片除外），以保證片偏移可表示。
  3. 分片可在信源機或中間路由器進行，重組僅在信宿機進行。
• 分片相關字段：
  • 標識：所有分片的標識相同，用于關聯同一原始數據報。
  • 標志：M 位 = 1 表示非最后一片，M 位 = 0 表示最后一片。
  • 片偏移：指示本片在原始數據中的位置（如偏移 0 表示第 1 片，偏移 175 表示數據從 1400 字節開始）。
• 重組過程：
  1. 信宿機根據標識收集所有分片，按片偏移排序。
  2. 啟動重組定時器，超時未集齊所有分片則丟棄，并通過 ICMP 報告錯誤。
  3. 重組后的數據報首部恢復為原始格式（總長度為原始長度，標志和片偏移重置）。

5.4 IP 數據報選項

IP 選項是首部的變長部分（≤40 字節），用于網絡控制和測試，所有 IP 協議必須支持選項處理。

5.4.1 選項格式

每個選項由三部分組成：

• 選項碼（8 位）：含 3 個子字段：
  • 復制位（1 位）：1 = 選項復制到所有分片，0 = 僅復制到第一個分片；
  • 選項類（2 位）：00 = 路徑控制 / 測試，10 = 時間戳測試，01/11 未用；
  • 選項號（5 位）：細分選項類型。
• 選項長度（8 位）：選項總長度（含選項碼、長度、數據），單字節選項無此字段。
• 選項數據（可變）：選項具體內容（如 IP 地址、時間戳等）。

5.4.2 選項類型

選項類	選項號	選項名	功能與細節
00	00000	選項結束	單字節選項，標識選項部分結束，用于填充使首部為 32 位整數倍。
00	00001	無操作	單字節選項，作為填充（避免選項結束符過早出現）。
00	00011	寬松源路由	信源指定路徑關鍵點，關鍵點之間可通過路由器自動選路： - 選項碼 = 131（復制位 = 1，類 = 00，號 = 00011）； - 含指針（指示下一跳地址位置）和 IP 地址表（關鍵點列表）。
00	00111	記錄路由	記錄數據報從信源到信宿經過的路由器 IP 地址： - 選項碼 = 7（復制位 = 0，類 = 00，號 = 00111）； - 信源預分配地址空間，指針指向 next 可用位置，空間不足則停止記錄。
00	01001	嚴格源路由	信源指定完整路徑，數據報必須嚴格按順序經過每一路由器： - 選項碼 = 137（復制位 = 1，類 = 00，號 = 01001）； - 含指針和 IP 地址表（完整路徑），若無法按路徑傳輸則丟棄。
10	00100	時間戳	記錄數據報經過路由器的當地時間（世界時間，千分之一秒為單位）： - 選項碼 = 68（復制位 = 0，類 = 10，號 = 00100）； - 含溢出（未記錄的時間戳數）、標志（控制格式：0 = 僅時間，1 = 時間 + 地址，3 = 僅指定地址時間）、時間戳列表。

5.5 IP 模塊的結構

IP 協議的核心功能包括封裝、分片重組、選項處理、路由選擇等，數據處理流程如下：

• 上層數據（如 TCP/UDP）向下傳輸：
  1. 封裝為 IP 數據報（添加首部字段）。
  2. 處理模塊判斷目的地址：若為環回地址（127.x.x.x）或本機 IP，則直接回傳上層；否則進入路由選擇。
  3. 路由選擇模塊確定下一跳接口，分片模塊根據接口 MTU 分片（若需），最終交給下層（數據鏈路層）發送。
• 下層數據（數據鏈路層幀）向上傳輸：
  1. 解封裝獲取 IP 數據報，進入 IP 處理模塊：校驗首部、處理選項、更新 TTL（減 1，若為 0 則丟棄）。
  2. 若本機是信宿機：根據協議字段將數據提交給對應上層協議（如 TCP/UDP/ICMP）。
  3. 若需轉發（本機是路由器）：路由選擇模塊確定下一跳，分片模塊根據出口 MTU 分片（若需），交給下層發送。

本章要點

• IP 是不可靠、無連接的數據報協議，提供盡力傳輸服務，通過 IP 地址和數據報統一底層差異。
• IP 數據報首部含 20 字節定長部分和≤40 字節選項，關鍵字段包括版本、首部長度、總長度、標識、標志、片偏移、TTL、協議、校驗和、源 / 目的地址。
• 分片由 MTU 觸發，依賴標識、標志、片偏移字段，重組僅在信宿機進行，超時未重組則丟棄。
• 首部校驗和僅校驗首部，采用 1 的補碼算法，確保首部完整性。
• IP 選項用于網絡控制和測試，包括源路由（嚴格 / 寬松）、記錄路由、時間戳等，需按格式處理。
• IP 模塊負責數據報的封裝、分片重組、選項處理、路由選擇等，實現數據在網絡中的傳輸。