IP协议北京理工大学珠海学院计算机学院学习课程

1、第第5章章 IP协议协议因特网的核心协议是IP和TCP两大协议。作用：IP协议是TCP/IP协议簇中的核心协议，提供数据传输的最基本服务，是实现网络互联的基本协议。位置：IP协议位于网络层，位于同一层次的协议还有下面的ARP和RARP以及上面的因特网控制报文协议ICMP和因特网组管理协议IGMP。 第1页/共58页第一页，编辑于星期六：二点 十八分。第第5章章 IP协议协议关系：ARP和RARP报文不被封装在IP数据报中，而ICMP和IGMP的数据则要封装在IP数据报中进行传输。由于IP协议在网络层中具有重要的地位，人们又将TCP/IP协议的网络层称为IP层。 IP是不可靠的无连接数据报协议，

2、提供尽力而为的传输服务。第2页/共58页第二页，编辑于星期六：二点 十八分。 特点：因为IP协议采用了尽力传输的思想，所以使得IP协议的效率非常高，实现起来也较简单。第3页/共58页第三页，编辑于星期六：二点 十八分。第第5章章 IP协议协议5.1 IP数据报格式5.2 无连接数据报传输5.3 IP数据报选项5.4 IP模块的结构第4页/共58页第四页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 IP协议所处理的数据单元称为IP数据报。 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变

3、长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图 5-1 IP 数据报格式 19 第5页/共58页第五页，编辑于星期六：二点 十八分。IP数据报=首部+数据IP数据报首部分为定长部分和变长部分。 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图 5-1 IP 数据报格式 19 5.1 IP数据报格式第6页

4、/共58页第六页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式服务类型(8位)规定对本数据报的处理方式。服务类型的含义如图1-2所示。 服 务 类 型 D T R C 图 1-2 IP 数 据 报 服 务 类 型 字 段 优 先 级 表示本数据报的重要程度，分为从0到7共8个级别，0表示最低优先级，7表示最高优先级。目前的IPv4未使用优先级。最小延迟-Delay最大吞吐率-Throughput最高可靠性-reliability最低成本-Cost第7页/共58页第七页，编辑于星期六：二点 十八分。 RFC给出的IP上面的一些协议应该使用的服务类型的建议值。第8页/共58页第八页，编辑于星

5、期六：二点 十八分。 1服务类型要求只代表用户的希望，并不具有强制性。2在D、T、R和C这4个参数中每次只能设置其中的一个，即传输时路由设备只能考虑其中一个性能指标。服务类型字段的最后一个比特保留未用。第9页/共58页第九页，编辑于星期六：二点 十八分。 0 0 0 图 5-3 IP 数据报的区分业务字段 优 先 级 保 留 保 留 1 6 码 点（Code point） X X 0 保 留 X X X X 1 1 保 留 X X X X 0 1 保 留 X X X 与原服务类型兼容 IETF 指定 本地机构指定 用于临时使用或实验目的 第10页/共58页第十页，编辑于星期六：二点 十八分。5

6、.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第11页/共58页第十一页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协

7、 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第12页/共58页第十二页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第13页/共58页第十三页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型

8、（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第14页/共58页第十四页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部

9、数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第15页/共58页第十五页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第16页/共58页第十六页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标

10、 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第17页/共58页第十七页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第

11、18页/共58页第十八页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第19页/共58页第十九页，编辑于星期六：二点 十八分。5.1 IP数据报格式 数 据 报 总 长 度 服务类型（TOS） 数 据 0 8 16 4 31 版 本 标 识 片 偏 移 源 IP 地 址 IP 选 项 （可

12、 选、变 长） 首部 长度 标志 生存时间(TTL) 协 议 首 部 校 验 和 目 的 IP 地 址 首部 数据 20 字节 图5-1 IP 数据报格式 19 第20页/共58页第二十页，编辑于星期六：二点 十八分。5.2 无连接数据报传输 IP数据报传输是IP层要解决的重要问题之一，是影响数据传输效率的一个重要因素。 IP数据报在经过路由器进行转发时一般要进行三个方面的处理：首部校验路由选择数据分片第21页/共58页第二十一页，编辑于星期六：二点 十八分。首部校验IP层不对数据进行校验。 原因：上层传输层是端到端的协议，进行端到端的校验比进行点到点的校验开销小得多，在通信线路较好的情况下尤

13、其如此。 另外，上层协议可以根据对于数据可靠性的要求，选择进行校验或不进行校验，甚至可以考虑采用不同的校验方法，这给系统带来很大的灵活性。第22页/共58页第二十二页，编辑于星期六：二点 十八分。首部校验 IP协议对IP数据报首部进行校验。原因： IP首部属于IP层协议的内容，不可能由上层协议处理。 IP首部中的部分字段在点到点的传递过程中是不断变化的，只能在每个中间点重新形成校验数据，在相邻点之间完成校验。第23页/共58页第二十三页，编辑于星期六：二点 十八分。两个层次的校验如图所示。 IP数据报的首部通过校验和（Checksum）来保证其正确性。 图5-4 IP层 对IP数 据 报 首

14、部 进 行 点 到 点 校 验 ， 传 输 层 对 数 据 进 行 端 到 端 校 验 信 源 信 宿 路 由 器1 网 络 路 由 器2 网 络 路 由 器n 网 络 传 输 层 进 行 端 到 端 的 数 据 校 验 （ 可 选 ） IP层 进 行 点 到 点 数 据 报 首 部 校 验 IP层 进 行 点 到 点 数 据 报 首 部 校 验 IP层 进 行 点 到 点 数 据 报 首 部 校 验 校 验 并 形 成 新 校 验 和 校 验 形 成 校 验 和 校 验 并 形 成 新 校 验 和 校 验 并 形 成 新 校 验 和 第24页/共58页第二十四页，编辑于星期六：二点 十八分。

15、 计算首部校验和： 发送方将IP数据报的首部按顺序分为多个16比特的小数据块 首部校验和字段的初始值被设置为0 用1的补码算法对16比特小数据块进行求和 最后再对结果求补 将经过计算得到的首部校验和填回到数据报的首部校验和字段，封装成帧后发给通往信宿的下一跳设备。第25页/共58页第二十五页，编辑于星期六：二点 十八分。校验：下一跳设备作为接收方将收到的IP数据报的首部再分为多个16比特的小数据块，用1的补码算法对16位小数据块进行求和，最后再对结果求补，若得到的结果为0，就验证了数据报首部的正确性。第26页/共58页第二十六页，编辑于星期六：二点 十八分。 发送方用1的补码计算和数时，首部校

16、验和字段被设置为0，等于没有参加计算，求补后的校验和与和数各位正好相反。 接收方用1的补码计算和数时，新的首部校验和字段已经被加入，正确情况下所得的和数应该为0 xffff，因此，求补后的结果应该为0 x0000。 图 5-5 校验和的生成与校验 第 1 块 IP 数据报 首部 第 2 块 校验和 0 x0000 第 n 块 和数 第 1 块 第 2 块 校验和 第 n 块 校验和 求补 第 1 块 第 2 块 校验和 第 n 块 和数 校验和 求补 0 x0000 接收方 发送方 传输 第27页/共58页第二十七页，编辑于星期六：二点 十八分。 例子：假设没有IP选项，所以首部长度为5，数据

17、总长度为128字节，数据报的标识为1，未分片，TTL值为4，封装的是TCP协议数据，源地址和目的地址分别为：和。 标识 图 5-6 生成 IP 数据报首部校验和 4 5 0 128 1 0 0 4 6 0 192 168 20 86 192 168 21 20 数据报总长度 版本、首部长度、 服务类型 标志、片偏移 TTL、协议 首部校验和 源 IP 地址 目的 IP 地址 01000101 00000000 00000000 10000000 00000000 00000001 00000000 00000000 00000100 00000110 00000000 00000000 110

18、00000 10101000 00010100 01010110 11000000 10101000 00010101 00010100 11110100 01000001 1 11110100 01000010 00001011 10111101 加进位 和数 求补得校验和 4 5 0 128 1 0 0 4 6 3005 192 168 20 86 192 168 21 20 加入校验和前的数据报首部 加入校验和后的数据报首部 计算校验和 3005 第28页/共58页第二十八页，编辑于星期六：二点 十八分。 接收方对同一数据报首部进行校验：求补后得到的校验和值为0，表明IP数据报首部在传输

19、过程中没有出现差错。 标 识 图 5-7 接 收 方 进 行 IP 数 据 报 首 部 校 验 4 5 0 128 1 0 0 4 6 3005 192 168 20 86 192 168 21 20 数 据 报 总 长 度 版 本 、 首 部 长 度 、 服 务 类 型 标 志 、 片 偏 移 T T L、 协 议 首 部 校 验 和 源 IP 地 址 目 的 IP 地 址 01000101 00000000 00000000 10000000 00000000 00000001 00000000 00000000 00000100 00000110 00001011 10111101 11

20、000000 10101000 00010100 01010110 11000000 10101000 00010101 00010100 11111111 11111110 1 11111111 11111111 00000000 00000000 加 进 位 和 数 求 补 得 校 验 和 计 算 校 验 和 第29页/共58页第二十九页，编辑于星期六：二点 十八分。数据分片与重组IP数据报在从信源到信宿的传输过程中要穿过多个不同的网络。由于各种物理网络存在着差异，对帧的最大长度有不同的规定，因此，各个物理网络的最大传输单元MTU可能不同。物理网络的MTU是由硬件决定的。通常，网络的速度越

21、高，MTU也就越大。 第30页/共58页第三十页，编辑于星期六：二点 十八分。数据分片与重组TCP/IP协议的封装：将数据报以从信源到信宿路径上的最小MTU进行封装(IPv6)将数据报先以信源网络的MTU进行封装，在传输过程中再根据需要对数据报进行动态分片(IPv4) 第31页/共58页第三十一页，编辑于星期六：二点 十八分。1数据报分片 当数据报被分片时，每个分片都会得到一个首部。 相同点：分片首部的大部分内容和原数据报相同，如IP地址、版本号、协议和数据报标识等 不同：标志字段、数据报总长度和片偏移。 分片既可以带也可以不带原数据报的选项. 在IP数据报中与分片相关的字段是标识字段、标志字

22、段和片偏移字段。 1)数据报标识是分片所属数据报的关键信息，是分片重组的依据。 第32页/共58页第三十二页，编辑于星期六：二点 十八分。 标志 D M 图5-8 IP 数据报标志字段 D：不分片 1：不允许分片 0：允许分片 M：片未完 1：非最后一片 0：最后一片 未用 第33页/共58页第三十三页，编辑于星期六：二点 十八分。 数据报首部长度为20个字节，数据区长度为1600个字节，进入MTU为1420字节的物理网络时进行第一次分片。第34页/共58页第三十四页，编辑于星期六：二点 十八分。 一个例子 图 5-9 IP 数据报分片示例 第一次分片 4 5 0 1620 29571 0 0

23、 0 17 192.168.20.86 192.168.21.20 数据（0-1599） 4 5 0 1420 29571 0 1 0 17 192.168.20.86 192.168.21.20 数据（0-1399） 4 5 0 220 29571 0 0 175 17 192.168.20.86 192.168.21.20 数据（1400-1599） 4 5 0 820 29571 0 1 0 17 192.168.20.86 192.168.21.20 数据（0-799） 4 5 0 620 29571 0 1 100 17 192.168.20.86 192.168.21.20 数据（

24、800-1399） 第二次分片 第35页/共58页第三十五页，编辑于星期六：二点 十八分。分片必须满足两个条件：各片尽可能大，但必须能为帧所封装，片中数据的大小必须为8字节的整数倍，否则IP无法表达其偏移量。 第36页/共58页第三十六页，编辑于星期六：二点 十八分。2分片的重组 分片可以在信源机或传输路径上的任何一台路由器上进行，而分片的重组只能在信宿机上进行。 信宿机在进行分片的重组时，采用了一组重组定时器。开始重组时，启动定时器，如果重组定时器超时时，仍然未能完成重组（由于某些分片未及时到达信宿机），信宿机的IP层将丢弃该数据报，并产生一个超时错误，报告给信源机。返回第37页/共58页第

25、三十七页，编辑于星期六：二点 十八分。2分片的重组片重组的控制主要根据数据报首部中的标识、标志和片偏移字段。数据报的分片和重组操作对用户和应用程序的编程人员都是透明的，分片和重组操作由网络操作系统自动完成。返回第38页/共58页第三十八页，编辑于星期六：二点 十八分。5.3 IP数据报选项IP选项是IP数据报首部中的变长部分。用于网络控制和测试目的(如源路由、记录路由、时间戳等)。IP选项的最大长度不能超过40字节。IP选项在使用时是可选的，但在TCP/IP软件的实现中却是必须有的，即说所有的IP协议都具有IP选项的处理功能。第39页/共58页第三十九页，编辑于星期六：二点 十八分。选项格式

26、IP选项的格式如图5-10所示。选项由三个部分组成： 选项码(Option Code) 选项长度 选项数据。 选项码 图 5-10 IP 选项格式 1 字节 选项长度 选项数据 1 字节 字节数由长度决定 复制位 选项类 选项号 0 1 2 3 4 5 6 7 第40页/共58页第四十页，编辑于星期六：二点 十八分。 选项码由8位构成，分为复制位(COPY)、选项类和选项号3个子字段。 复制位占一比特，用于控制分片时是否将选项复制到各个分片。复制位为“1”时，表示将原数据报所带的选项复制到所有的分片中，复制位为“0”时，表示仅将选项复制到第一个分片中。 选项类占2比特，用于定义选项的一般作用。

27、第41页/共58页第四十一页，编辑于星期六：二点 十八分。 选项码由8位构成，分为复制位(COPY)、选项类和选项号3个子字段。 选项号占5比特，用于定义选项的具体类型。选项类区别选项的一般目的，而选项号则对同一类选项进行进一步的细化。 选项长度为8位，用于定义选项的长度。长度信息除包括选项数据部分的长度外还包括选项码和长度字段本身。有些选项不含长度字段。 选项数据不定长，用于定义选项请求。选项是单方向发送的请求，不需要信宿机进行响应。第42页/共58页第四十二页，编辑于星期六：二点 十八分。选项类型两位IP选项类定义了四种选项类型：00用于IP数据报路径的控制和测试；10用于时间戳的测试；0

28、1类和11类未用。每一选项类又由选项号进行细分，其中00类中常用的有5个选项号，10类中只有1个选项号在用。第43页/共58页第四十三页，编辑于星期六：二点 十八分。选项类型 选项类选项号长度 含义 0000000无选项结束 0000001无无操作(作为填充数据) 0000011 变长宽松源路由 0000111 变长记录路径 0001001变长严格源路由 1000100变长时间戳第44页/共58页第四十四页，编辑于星期六：二点 十八分。2源路由选项作用：通常IP数据报在传输时，由路由器自动为其选择路由。但网络管理人员为了使数据报绕开出错网络，或者为了对某特定网络的吞吐率进行测试，需要在信源机控

29、制IP数据报的传输路径。源路由(Source Route)就是为了满足这一要求而设计的选项。第45页/共58页第四十五页，编辑于星期六：二点 十八分。2源路由选项方法：源路由指由信源机上的发送者规定本数据报穿越网络的路径。种类：源路由选项分为两种。严格源路由宽松源路由第46页/共58页第四十六页，编辑于星期六：二点 十八分。（1）严格源路由 严格源路由选项要求信源机上的发送者指定数据报必须经过的每一个路由器。也就是说，数据报必须严格按照发送方规定的路径穿过每一个路由器。严格源路由选项的格式如图所示。 图 5-11 严格源路由选项格式 选项码：137 1 00 01001 选项长度 指 针 第一

30、个 IP 地址 第二个 IP 地址 最后一个 IP 地址 1 字节 1 字节 1 字节 第47页/共58页第四十七页，编辑于星期六：二点 十八分。 指针字段的含义：当设备（信源机或路由器）发出带该选项的数据报时，指针指的是该设备的下下跳路由器的入口IP地址。当一个路由器收到数据报时，指针指的是该路由器的下一跳IP地址，路由器转发数据报前要将指针值加4，这样发出去的数据报的指针又指向了它的下下跳路由器的入口IP地址。 在源路由传输过程中数据报的目的IP地址会不断变化，而且选项中的IP地址表也会发生变化。第48页/共58页第四十八页，编辑于星期六：二点 十八分。 信源机从上层收到源路由IP地址表后

31、，将第一个IP地址从列表中去掉（将该IP地址作为当前数据报的目的地址），再将剩余的表项前移，然后将最终要去的目的地址写入到选项地址表的最后。 严格源路由传输时 IP 地址变化的一个例子 137 15 4 192.168.20.44 192.168.30.66 192.168.40.88 192.168.10.0 192.168.20.0 192.168.30.0 192.168.40.0 192.168.10.11 192.168.10.22 192.168.20.33 192.168.20.44 192.168.30.55 192.168.30.66 192.168.40.77 192.16

32、8.40.88 源 IP：192.168.10.11 目的 IP：192.168.40.88 源 IP：192.168.10.11 目的 IP：192.168.10.22 137 15 8 192.168.10.22 192.168.30.66 192.168.40.88 137 15 12 192.168.10.22 192.168.20.44 192.168.40.88 137 15 16 192.168.10.22 192.168.20.44 192.168.30.66 源 IP：192.168.10.11 目的 IP：192.168.20.44 源 IP：192.168.10.11 目

33、的 IP：192.168.30.66 源 IP：192.168.10.11 目的 IP：192.168.40.88 A 第49页/共58页第四十九页，编辑于星期六：二点 十八分。（2）宽松源路由 宽松源路由IP选项的格式与严格源路由相同，所不同的是，宽松源路由在选项的IP地址表中并不给出一条完备的路径，而是只给出路径中的某些关键点，关键点之间无直接物理连接时，通过路由器的自动路由选择功能进行补充。 图 5-13 宽松源路由选项格式 选项码：131 1 00 00011 选项长度 指 针 第一个 IP 地址 第二个 IP 地址 最后一个 IP 地址 1 字节 1 字节 1 字节 第50页/共58页第五十页，编辑于星期六：二点 十八分。3记录路由 记录路由选项用于记录IP数据报从信源机到信宿机所经过路径上各路由器的IP地址。记录路由选项格式与源路由选项格式相同。 图 5-14 记录路由选项格式 选项码：7 0 00 00111 选项长度 指 针 第一个 IP 地址（开始时为空） 第二个 IP 地址（开始时为空） 最后一个 IP 地址（开始时为空） 1 字节 1 字节 1 字节 第51页/共58页第五十一页，编辑于星期六：二点 十八分。第52页/共58页第五十二页，编辑于星期六：二点 十八分。4时间戳 时间戳选项用于记录IP数据报经过各路由器时的当