自己整理的IP协议

网际协议IP

网际协议 IP 是 TCP/IP 体系中两个最主要的协议之一。与 IP 协议配套使用的还有四个协议：

地址解析协议 ARP

(Address Resolution Protocol) 逆地址解析协议 RARP

(Reverse Address Resolution Protocol) 网际控制报文协议 ICMP

(Internet Control Message Protocol) 网际组管理协议 IGMP

(Internet Group Management Protocol)

网际层的 IP 协议及配套协议应用层运输层网络层（网际层） 网络接口层ICMP各种应用层协议(HTTP, FTP, SMTP 等)TCP, UDPIGMPIPRARP与各种网络接口物理硬件ARP

虚拟互连网络

互连在一起的网络要进行通信，会遇到许多问题需要解决，如： 不同的寻址方案

不同的最大分组长度 不同的网络接入机制 不同的超时控制

不同的差错恢复方法 不同的状态报告方法 不同的路由选择技术 不同的用户接入控制

不同的服务（面向连接服务和无连接服务） 不同的管理与控制方式

网络互相连接起来要使用一些中间设备:

中间设备又称为中间系统或中继(relay)系统。 物理层中继系统：转发器(repeater)。

数据链路层中继系统：网桥或桥接器(bridge)。

网络层中继系统：路由器(router)。

网桥和路由器的混合物：桥路器(brouter)。 网络层以上的中继系统：网关(gateway)。

当中继系统是转发器或网桥时，一般并不称之为网络互连，因为这仅仅是把一个网络扩大了，而这仍然是一个网络。 网关由于比较复杂，目前使用得较少。 互联网都是指用路由器进行互连的网络。

由于历史的原因，许多有关 TCP/IP 的文献将网络层使用的路由器称为网关。

互连网络与虚拟互连网络 路由器网络网络网络 虚拟互连网络（互联网）网络网络(a) 互连网络(b) 虚拟互连网络

虚拟互连网络的意义:

所谓虚拟互连网络也就是逻辑互连网络，它的意思就是互连起来的各种物理网络的异构性本来是客观存在的，但是我们利用 IP 协议就可以使这些性能各异的网络从用户看起来好像是一个统一的网络。

使用 IP 协议的虚拟互连网络可简称为 IP 网。

使用虚拟互连网络的好处是：当互联网上的主机进行通信时，就好像在一个网络上通信一样，而看不见互连的各具体的网络异构细节。

IP 地址的使用范围

网络 最大网 第一个可用 最后一个可用 每个网络最大 类别 络数 的网络号 的网络号 的主机数 A 126 1 126 16777214 B 16383 128.1 191.255 65534 C 2097151 192.0.1 223.255.255 254

地址解析协议 ARP

不管网络层使用的是什么协议，在实际网络的链路上传送数据帧时，最终还是必须使用硬件地址。

每一个主机都设有一个 ARP 高速缓存(ARP cache)，里面有所在的局域网上的各主机和路由器的 IP 地址到硬件地址的映射表。

当主机 A 欲向本局域网上的某个主机 B 发送 IP 数据报时，就先在其 ARP 高速缓存中查看有无主机 B 的 IP 地址。如有，就可查出其对应的硬件地址，再将此硬件地址写入 MAC 帧，然后通过局域网将该 MAC 帧发往此硬件地址。

ARP 高速缓存的作用：

1.为了减少网络上的通信量，主机 A 在发送其 ARP 请求分组时，就将自己的 IP 地址到硬件地址的映射写入 ARP 请求分组。

2.当主机B收到A的ARP请求分组时，就将主机A的这一地址映射写入主机B自己的ARP高速缓存中。这对主机B以后向A发送数据报时就更方便了。 应当注意的问题：

ARP 是解决同一个局域网上的主机或路由器的 IP 地址和硬件地址的映题。 如果所要找的主机和源主机不在同一个局域网上，那么就要通过 ARP 找到 个位于本局域网上的某个路由器的硬件地址，然后把分组发送给这个路由器，让这个路由器把分组转发给下一个网络。剩下的工作就由下一个网络来做。 从IP地址到硬件地址的解析是自动进行的，主机的用户对这种地址解析过程是不知道的。

只要主机或路由器要和本网络上的另一个已知 IP 地址的主机或路由器进行通信，ARP 协议就会自动地将该 IP 地址解析为链路层所需要的硬件地址。 使用 ARP 的四种典型情况： 发送方是主机，要把IP数据报发送到本网络上的另一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。 发送方是主机，要把 IP 数据报发送到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。

发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到本网络上的一个主机。这时用 ARP 找到目的主机的硬件地址。 发送方是路由器，要把 IP 数据报转发到另一个网络上的一个主机。这时用 ARP 找到本网络上的一个路由器的硬件地址。剩下的工作由这个路由器来完成。

IP 数据报的格式

一个 IP 数据报由首部和数据两部分组成。

首部的前一部分是固定长度，共 20 字节，是所有 IP 数据报必须具有的。 在首部的固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

位固定首部部分可变部分0版 本48区 分 服 务标志协 议源 地 址目 的 地 址可 选 字 段 （长 度 可 变）数 据 部 分首 部数 据 部 分IP 数据报发送在前填 充标 识生 存 时 间161924总 长 度片 偏 移首 部 检 验 和31首部长度

版本——占 4 位，指 IP 协议的版本目前的 IP 协议版本号为 4 (即 IPv4) 首部长度——占 4 位，可表示的最大数值是 15 个单位(一个单位为 4 字节)

因此 IP 的首部长度的最大值是 60 字节。

区分服务——占 8 位，用来获得更好的服务在旧标准中叫做服务类型，但实际上一

直未被使用过。1998 年这个字段改名为区分服务。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。在一般的情况下都不使用这个字段

总长度——占 16 位，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大

长度为 65535 字节。总长度必须不超过最大传送单元 MTU。

标识(identification) 占 16 位，它是一个计数器，用来产生数据报的标识。 标志(flag) 占 3 位，目前只有前两位有意义。标志字段的最低位是 MF。MF =1 表

示后面“还有分片”。MF= 0 表示最后一个分片。标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment) 。只有当 DF=0 时才允许分片。

片偏移(12) 指出：较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8

个字节为偏移单位。

生存时间——记为TTL(Time To Live)数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。 协议(8) 字段指出此数据报携带的数据使用何种协议以便目的主机的 IP 层将

数据部分上交给哪个处理过程。

首部检验和(16) 字段只检验数据报的首部不检验数据部分。

这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。

分组转发算法：

(1) 从数据报的首部提取目的主机的 IP 地址 D, 得出目的网络地址为 N。

(2) 若网络 N 与此路由器直接相连，则把数据报直接交付目的主机 D；否则是间

接交付，执行(3)。

(3) 若路由表中有目的地址为 D 的特定主机路由，则把数据报传送给路由表中所

指明的下一跳路由器；否则，执行(4)。

(4) 若路由表中有到达网络 N 的路由，则把数据报传送给路由表指明的下一跳路 由器；否则，执行(5)。