TCPIP协议原理教学课件：Chapter 7 Internet Protocol

1、Internet Protocol（IP）RFC 791IPLANsMANsWANsICMPIGMPARPRARPNetworkLayerNetworkAccessLayerTransport LayerApplication Layer7/15/20221TCP/IP Protocol SuiteThe Features of IP CommunicationFeaturesBest-effort delivery：no error checking, no guaranteesConnectionless(无连接): 跨越多个异构物理网 通用性Unreliable: 可靠性问题交由高层协议

2、解决每一个分组被路由器独立处理Connection vs. ReliableDifferent types of service: Connection and connectionlessEach service can be characterized by a quality of service (QoS) Reliable: error control, flow control, 面向连接不一定保证可靠，无连接不一定不可靠在连接上容易实现可靠性机制7/15/20222TCP/IP Protocol SuiteChapter 7 Internet ProtocolDatagramFr

3、agmentationOptionsChecksumIP package7/15/20223TCP/IP Protocol SuiteDatagram（数据报）IP Datagram7/15/20224TCP/IP Protocol SuiteIdentification16 bitsFlags 3 bitsIP headerVER4 bitsHLEN4 bitsDS8 bitsTotal length16 bitsFragmentation offset13 bitsTime To Live8 bitsProtocol8 bitsHeader checksum16 bitsSource IP

4、 address32 bitsDestination IP address32 bitsOption 7/15/20225TCP/IP Protocol SuiteVersion fieldVER（Version）: 4 bitsCurrent version: Version 4Version 6 (IPng) may replace Version 4To tell the IP software what the format the datagram hasIP版本检测7/15/20226TCP/IP Protocol SuiteHeader length fieldHLEN（Head

5、er length）: 4 bits以4字节（即32bits）为单位取值：5 15（即首部长度为 20 60 bytes）The length of the header is variable Fixed component: 20 bytesVariable component: IP Options7/15/20227TCP/IP Protocol SuiteDifferentiated Services (Type of Service Field)TOS（服务类型）：8 bits早期该分组所期望的服务质量作为路由器操作的提示，而非要求DTR PrecedenceD: Minimize

6、 delayR: Maximize reliabilityT: Maximize throughput C: Minimize cost该分组所希望的路由转发服务类型，不能同时设置 ReservedRFC 1349DTR PrecedenceCRFC 2474 DSCPCUDifferentiated Services Code Point，区分服务编码点 CurrentlyUnused指示对分组进行异常处理（排队或丢弃）的优先权，值从0（普通优先级）到7（网络控制） 7/15/20228TCP/IP Protocol SuiteType of Service Field（TOS）TOSPre

7、cedence：允许发送方指明每个分组的重要程度当出现问题（如拥塞）时，用来指示数据报的优先级例如控制分组可以比数据具有更高的优先级Delay、Throughput、Reliability、Cost：表明该IP分组所希望的路由转发服务类型当路由器存在多条到达目的站点的路由时，可以作为路由参考TOS是对路由算法的提示，Internet并不保证提供TOS定义的服务7/15/20229TCP/IP Protocol SuiteTotal length fieldTotal length（总长度字段）：16 bitsIncludes the header以字节单位总长度首部长度（即4HLEN）+ 数据

8、长度为什么需要总长度字段？因为存在Pad例如：以太帧数据部分要求最小46字节思考：IP分组的最大长度是多少？655357/15/202210TCP/IP Protocol SuiteFragmentation FieldsIdentification（标识字段）：16 bits源站每发送一个分组，标识值1（源IP地址，标识） 全网唯一分组标识Flags（标志字段）：3 bitsFragmentation offset（片偏移字段）：13 bits：表示每个分片在整个数据报中相对位置以8 bytes为单位(Why?)DMFlagsD: Do not fragmentM: More fragmen

9、ts思考：IP数据报为什么需要被分片？7/15/202211TCP/IP Protocol SuiteTime To Live FieldTTL（生存时间）：8 bits，指明数据报生存时间分组寿命是受限的：防止路由成环时，IP被无限次转发取值：最初方案：时间戳，记录分组传输时间+路由器转发处理时间 困难实际方案：分组允许经过的路由器最大数目（跳数）取值：任意两个节点间路由器数目的2倍路由器处理分组时，首先将分组的TTL值减1 ，若TTL值为零时，直接丢弃该分组（并向源报告）最大值？2557/15/202212TCP/IP Protocol SuiteProtocol Field协议：8 bi

10、ts指明IP数据区的协议类型指明IP分组应该交付到的高层协议IP对高层协议的复用和解复用HeaderICMPIGMPEGPOSPFTCPUDPNetwork layerTransport layerIP Datagram1：ICMP 2：IGMP 4：IP6：TCP8：EGP 11：UDP 41：IPv689：OSPF7/15/202213TCP/IP Protocol SuiteChecksum Field校验和：16 bits差错检测只校验IP首部，数据部分由高层协议校验无须重复校验数据部分每经过1个路由器，都需要重新计算Checksum缩短了路由器转发分组时的处理时间7/15/20221

11、4TCP/IP Protocol SuiteOption Field选项：0 40 bytesTo be used for network testing and debugging 不是IP分组的必需部分，但其处理是IP软件的必需部分Code8 bitsLength8 bitsDatavariable lengthCopy1 bitClass2 bitsNumber 5 bitsCopy 0 Copy only in first fragment1 Copy into all fragmentsClass00 Datagram control01 Reserved Debugging and

12、 management ReservedNumber00000 End of option00001 No option00011 Loose source route00111 Record route01001 Strict source route7/15/202215TCP/IP Protocol SuiteChapter 7 Internet ProtocolDatagramFragmentationOptionsChecksumIP package7/15/202216TCP/IP Protocol Suite数据报的封装（Encapsulation ）封装：在一个物理帧中携带IP

13、数据报进行传输关键问题：IP数据报可以有多长？Example：Ethernet frameIP Packet目的MAC类型FCS源MACPacket66246 150040 x0800byteEthernet frame headerIP headerIP data7/15/202217TCP/IP Protocol SuiteIP Datagram Example7/15/202218TCP/IP Protocol Suite数据报大小与网络MTUMTU: maximum length of data that can be encapsulated in a frame DataMTUHe

14、ader TrailerIP datagramDatagramFrameMTU is dependent on the physical networkPhysical NetworkMTUHyperchannel65535Token ring (16 Mbps)17914Token ring (4 Mbps)4464FDDI4352Ethernet1500X.25576PPP2967/15/202219TCP/IP Protocol Suite数据报大小与网络MTU每个IP分组都封装在帧中传输在Internet中，数据报可能穿越多种不同的物理网络到达目的地MTU (Maximum Trans

15、fer Unit): 物理网络所能传输的数据的最大长度不同物理网，MTU不同！如何确定分组的大小？（IP的解决思路）IP向高层隐藏底层网络，方便用户通信，IP协议自己处理不同物理网络的MTU要求方法：对于高层协议数据报最大长度216Byte（独立于任何物理网络的MTU）面对物理网络提供Fragmentation（分片）和reassembly（重组）机制7/15/202220TCP/IP Protocol SuiteFragmentation (分片)Fragmentation: 在MTU较小的网络上，IP将较长的数据报划分成更小的部分（Fragment）分片的大小：8字节的整数倍（除最后1个分

16、片）保证偏移值是以8字节为单位最接近网络的MTU HData 1600 bytesData 2600 bytesData 3200 bytes06001200Offset = 0Offset = 600/8 = 75Offset = 1200/8 =150DataMTU620HHHData 1Data 2Data 3NET2R1NET1MTU18007/15/202221TCP/IP Protocol SuiteFragmentation OperationTo be fragmented by routers and a source hostA datagram can be fragme

17、nted more than onceAn IP header must be included in each fragmentAll fragments have the same identification number as the original datagramThe values of the three fields must be changed：Flags, Fragmentation offset, Total lengthChecksum must be recalculateThe reassembly of datagram is done only by th

18、e destination host原因Each fragment is an independent datagramMaybe travel through different routes7/15/202222TCP/IP Protocol Suite片3 数据：2800 3999片2 数据：1400 2799片1 数据：0 1399Fragmentation Example4020145670checksum01420MTU = 142014567原始分组数据0 39991220114201456714567145671456710110175350175275820620MTU =

19、820片2.2 数据：2200 2799片2.1 数据：1400 21997/15/202223TCP/IP Protocol SuiteReassembly（重组操作 ）Only by destination hostConnectionless 各分片的传输路径可不同有重组时限 Reassembly Timer若丢失分片，则无法重组IP分组目的主机能区分和重组不同的源IP报文（源IP地址，标识）ABR1R3R2Net 1Net 2MTU16201220MTU2420MTU4820R4Net 3Net 4MTU3620755000757550012007/15/202224TCP/IP Pr

20、otocol Suite如何重组重组表重组表的功能：找出一个分片属于哪一个原始的数据报将属于同一个数据报的分片进行排序SateSource AddressID Reassembly TimerFragments（源IP，IP标识）决定分片属于哪一个原始的数据报A predetermined amount of time in which all fragments must arrive分片长度=400Offset=0M=1分片长度=400Offset=50M=1分片长度=100Offset=100M=07/15/202225TCP/IP Protocol SuiteTo Process an

21、 IP Packet合法性检查版本长度TTLProtocolChecksumIP地址分片与重组选项处理（自学）7/15/202226TCP/IP Protocol SuiteChapter 7 Internet ProtocolDatagramFragmentationOptionsChecksumIP package7/15/202227TCP/IP Protocol SuiteOptions（自学）Types选项Option单字节Single-byte多字节Multiple-byte无操作No operation记录路由Record route选项结束End of option严格源路由S

22、trict source route松散源路由Loose source route时间戳Timestamp7/15/202228TCP/IP Protocol SuiteStrict source route (严格源路由)Format Codeength（Total length）PointerFirst IP address（Filled when started）Second IP address（Filled when started）Last IP address（Filled when started）7/15/202229TCP/IP Protocol

23、Suite10.0.0.110.0.0.210.0.0.0作用严格按给定的IP地址逐跳转发，中间不允许经过其它IP地址41513767.14.10.22140.10.5.4200.14.7.148140.10.6.3200.14.7.9138.6.22.26121667.0.0.0140.10.0.0200.14.7.067.34.30.6138.6.0.067.14.10.22140.10.6.3140.10.5.4200.14.7.9200.14.7.14138.6.22.26138.6.25.407/15/202230TCP/IP Protocol SuiteFragmentation

24、with Options哪些选项会复制到所有分片中？哪些只在第一个分片中出现？为什么？哪些选项用于数据报控制？哪些选项用于调试管理？No copyNo copyNo copyNo copyCopyCopyControlControlControlControlControlDebugNo operation0 00 00001End of option0 00 00000Record route0 00 00111Strict source route1 00 01001Loose source route1 00 00011Timestamp0 10 001007/15/202231TCP/

25、IP Protocol SuiteChapter 7 Internet ProtocolDatagramFragmentationOptionsChecksumIP package7/15/202232TCP/IP Protocol SuiteChecksumRFC 1071（RFC 1141，1624，1936），附录CIP分组的校验和只包括分组首部，而不包括数据16 bitsSection 116 bitsSection 216 bitsSection kAll 0sChecksum16 bitsSum16 bitsComplementChecksum16 bitsSection 116 bitsSection 216 bitsSection k16 bitsChecksum16 bitsSumResultChecksumPacketIf the result is 0, keep; otherwise, discard16 bitsSenderReceiverComplement7/15/202233TCP/IP Protocol Suite0 x D190Example450301001017100. 102. 011010