5. IP 协议

5.1 概述

IP 协议是 TCP/IP 协议簇的核心协议，位于网络层，提供不可靠、无连接的数据报服务，是实现网络互联的基础。

核心作用：通过 IP 地址统一物理地址，通过 IP 数据报统一物理数据帧，屏蔽底层网络差异，向上层提供统一服务。
相邻协议：网络层中，ARP、RARP 报文不封装在 IP 数据报中，而 ICMP、IGMP、OSPF 数据需封装在 IP 数据报中传输。
特点：
1. 点到点协议：数据传输的对等实体是相邻设备（同一网络）的对等层实体。
2. 不可靠性：不保证传输可靠性，不进行数据差错校验和跟踪，若需可靠传输需依赖上层 TCP 协议。
3. 无连接性：数据报独立传输，可能经不同路径，可能无序到达。

5.2 IP 数据报格式

IP 数据报由首部和数据两部分组成，首部分为定长部分（20 字节）和变长部分（选项，最长 40 字节）。各字段详细如下：

字段	位数	含义与细节
版本	4	标识 IP 协议版本，IPv4 为 4（二进制 0100），决定数据报格式。
首部长度	4	以 32 位（4 字节）为单位，指示首部总长度（定长 + 选项）。最小值为 5（20 字节，无选项），最大值为 15（60 字节，含 40 字节选项）。
服务类型（TOS）/ 区分业务字段	8	原 TOS 字段用于规定数据报处理方式（如优先级、延迟、吞吐量等）；后改为区分业务字段： - 前 6 位：区分业务码点（64 个编码，对应不同业务）； - 后 2 位：显式拥塞通告（ECN，RFC 3168 定义），用于 TCP 拥塞控制： - 00：不支持 ECN； - 01/10：支持 ECN； - 11：路由器正经历拥塞。
总长度	16	指示整个 IP 数据报的字节数（首部 + 数据），最大值为 65535 字节。数据长度 = 总长度 - 首部长度 ×4。
标识	16	信源机赋予数据报的唯一标识符（每次发送自动 + 1），用于分片重组时标识同一原始数据报。
标志	3	低 2 位有效，控制分片： - D 位（第 0 位）：0 = 允许分片，1 = 不允许分片（若超过 MTU 则丢弃并报错）； - M 位（第 1 位）：0 = 本片是最后一片，1 = 后续还有分片。
片偏移	13	以 8 字节为单位，指示本片数据在原始数据报数据区中的偏移量（用于重组时确定顺序）。
生存时间（TTL）	8	限制数据报在网络中的传输时间，每经过一个路由器减 1，值为 0 时丢弃数据报（防止环路）。常见初始值：Windows 为 128，Linux 为 64。
协议	8	指示数据字段封装的上层协议，如： - 1=ICMP；6=TCP；17=UDP；89=OSPF。
首部校验和	16	保证首部完整性，仅校验首部（不校验数据）： - 发送方：将首部分为 16 位块，校验和字段设为 0，用 1 的补码求和后求补，结果填入校验和字段； - 接收方：重复计算，若结果为 0 则首部正确，否则丢弃。
源地址	32	数据报最初发送者的 IP 地址（32 位，点分十进制表示）。
目的地址	32	数据报最终接收者的 IP 地址（32 位，点分十进制表示）。
选项	可变（≤40 字节）	用于网络控制和测试（如源路由、记录路由、时间戳等），格式含选项码、长度、数据（详见 5.3）。
数据	可变	上层协议数据（如 TCP 报文段、UDP 数据报等），长度受总长度限制（≤65535 - 首部长度 ×4）。

5.3 无连接数据报传输

IP 数据报传输需处理首部校验、数据分片与重组和路由选择，核心是适应不同网络的最大传输单元（MTU）。

5.3.1 首部校验

仅校验首部：因首部字段在传输中可能变化（如 TTL、校验和），需在相邻设备间逐跳校验；数据校验由上层协议（如 TCP）负责。
校验过程：
1. 发送方：将首部拆分为 16 位块，校验和字段设为 0，用 1 的补码计算总和，再对结果求补，填入校验和字段。
2. 接收方：重复计算，若求和后求补结果为 0，则首部正确；否则丢弃数据报。

5.3.2 数据分片与重组

背景：不同物理网络的最大传输单元（MTU，物理帧可封装的最大数据字节数）不同，数据报长度超过 MTU 时需分片。
分片规则：
1. 每个分片需携带完整首部（与原数据报首部大部分相同，仅标志、总长度、片偏移不同）。
2. 分片数据大小需为 8 字节的整数倍（最后一片除外），以保证片偏移可表示。
3. 分片可在信源机或中间路由器进行，重组仅在信宿机进行。
分片相关字段：
- 标识：所有分片的标识相同，用于关联同一原始数据报。
- 标志：M 位 = 1 表示非最后一片，M 位 = 0 表示最后一片。
- 片偏移：指示本片在原始数据中的位置（如偏移 0 表示第 1 片，偏移 175 表示数据从 1400 字节开始）。
重组过程：
1. 信宿机根据标识收集所有分片，按片偏移排序。
2. 启动重组定时器，超时未集齐所有分片则丢弃，并通过 ICMP 报告错误。
3. 重组后的数据报首部恢复为原始格式（总长度为原始长度，标志和片偏移重置）。

5.4 IP 数据报选项

IP 选项是首部的变长部分（≤40 字节），用于网络控制和测试，所有 IP 协议必须支持选项处理。

5.4.1 选项格式

每个选项由三部分组成：

选项码（8 位）：含 3 个子字段：
- 复制位（1 位）：1 = 选项复制到所有分片，0 = 仅复制到第一个分片；
- 选项类（2 位）：00 = 路径控制 / 测试，10 = 时间戳测试，01/11 未用；
- 选项号（5 位）：细分选项类型。
选项长度（8 位）：选项总长度（含选项码、长度、数据），单字节选项无此字段。
选项数据（可变）：选项具体内容（如 IP 地址、时间戳等）。

5.4.2 选项类型

选项类	选项号	选项名	功能与细节
00	00000	选项结束	单字节选项，标识选项部分结束，用于填充使首部为 32 位整数倍。
00	00001	无操作	单字节选项，作为填充（避免选项结束符过早出现）。
00	00011	宽松源路由	信源指定路径关键点，关键点之间可通过路由器自动选路： - 选项码 = 131（复制位 = 1，类 = 00，号 = 00011）； - 含指针（指示下一跳地址位置）和 IP 地址表（关键点列表）。
00	00111	记录路由	记录数据报从信源到信宿经过的路由器 IP 地址： - 选项码 = 7（复制位 = 0，类 = 00，号 = 00111）； - 信源预分配地址空间，指针指向 next 可用位置，空间不足则停止记录。
00	01001	严格源路由	信源指定完整路径，数据报必须严格按顺序经过每一路由器： - 选项码 = 137（复制位 = 1，类 = 00，号 = 01001）； - 含指针和 IP 地址表（完整路径），若无法按路径传输则丢弃。
10	00100	时间戳	记录数据报经过路由器的当地时间（世界时间，千分之一秒为单位）： - 选项码 = 68（复制位 = 0，类 = 10，号 = 00100）； - 含溢出（未记录的时间戳数）、标志（控制格式：0 = 仅时间，1 = 时间 + 地址，3 = 仅指定地址时间）、时间戳列表。

5.5 IP 模块的结构

IP 协议的核心功能包括封装、分片重组、选项处理、路由选择等，数据处理流程如下：

上层数据（如 TCP/UDP）向下传输：
1. 封装为 IP 数据报（添加首部字段）。
2. 处理模块判断目的地址：若为环回地址（127.x.x.x）或本机 IP，则直接回传上层；否则进入路由选择。
3. 路由选择模块确定下一跳接口，分片模块根据接口 MTU 分片（若需），最终交给下层（数据链路层）发送。
下层数据（数据链路层帧）向上传输：
1. 解封装获取 IP 数据报，进入 IP 处理模块：校验首部、处理选项、更新 TTL（减 1，若为 0 则丢弃）。
2. 若本机是信宿机：根据协议字段将数据提交给对应上层协议（如 TCP/UDP/ICMP）。
3. 若需转发（本机是路由器）：路由选择模块确定下一跳，分片模块根据出口 MTU 分片（若需），交给下层发送。