高稳定性的网站设计制作,wordpress 检测插件,包装在线设计网站,公司开发网站IP#xff08;Internet Protocol#xff0c;网际协议#xff09;是TCP/IP协议族中重要的协议#xff0c;主要负责将数据包发送给目标主机。IP相当于OSI#xff08;图1#xff09;的第三层网络层。网络层的主要作用是失陷终端节点之间的通信。这种终端节点之间的通信也叫点…IPInternet Protocol网际协议是TCP/IP协议族中重要的协议主要负责将数据包发送给目标主机。IP相当于OSI图1的第三层网络层。网络层的主要作用是失陷终端节点之间的通信。这种终端节点之间的通信也叫点对点point-to-point通信。 图1OSI参考模型
1. IP的功能作用
1IP寻址
作为网络层的IP一般称为IP地址主要用于在连接到网络中的所有主机中识别出进行通信的目标地址因此在TCP/IP通信中所有主机在互联网中将那些配有IP地址的设备叫主机严格意义上说配有IP地址且不进行路由控制的设备叫主机既配有IP地址又具有路由控制能力的设备叫路由器而节点则是主机和路由器的统称。或路由器必须设定自己的IP地址。如图2所示连接互联网的主机需要配置IP地址不论哪一台主机与哪种数据链路连接其IP地址的形式都一样以太网、无线局域网、PPP等都不会改变IP地址的形式。另外在网桥或交换机集线器等物理层或者数据链路层数据包转发设备中不需要设置IP地址。因为这些设备只负责将IP包转化为0、1比特流转发或对数据链路帧的数据部分进行转发而不需要应对IP协议。 图2主机在互联网互联需要IP地址
2路由
路由控制Routing是指将分组数据发送到最终目标地址的功能。即使网络很复杂也可以通过路由控制确定到达目标地址的通路。一旦这个路由控制的运行出现异常分组数据极有可能“迷失”无法到达目标地址。因此一个数据包之所以能够成功地到达最终的目标地址全靠路由控制。
IP包在网路中一个个跳间一跳1Hop是指利用数据链路层以下分层的功能传输数据帧的一个区间。以太网等数据链路中使用MAC地址传输数据帧。此时的一跳是指从源MAC地址到目标MAC地址之间传输帧的区间。也就是说它是主机或路由器网卡不经其他路由器而能直接到达的相邻主机或路由器网卡之间的一个区间。在一跳的这个区间内电缆可以通过网桥或交换集线器相连不会通过路由器或网关相连被转发因此IP路由也叫多条路由。在每一个区间内决定着包在下一跳被转发的路径。
多跳路由是指路由器或主机在转发IP数据包时只指定下一个路由器或主机而不是将到最终目标地址为止的所有通路全都指定出来。因为每一个区间跳在转发IP数据包时会分别指定下一跳的操作直至包达到最终的目标地址。
为了将数据包发给目标主机所有主机都维护着一张路由控制表Routing table。该表记录IP数据在下一步应该发给哪个路由器。IP包将根据这个路由表在各个数据链路上传输。 图3路由控制表
3IP分包和组包 IP是失陷多个数据链路之间通信的协议。数据链路根据种类的不同各有特点。对不同数据链路的特异性进行抽象化也是IP的重要作用。不同数据链路有个最大的区别就是各自的最大传输单位Maximum Transmission UnitMTU不同。以太网的MTU是1500字节FDDIFiber Distributed Data Interface光纤分布式数据接口的MTU是4352字节ATMAutomated Teller Machine自动取款机的MTU是9180字节。IP的上一层会要求传送比MTU更多字节的数据因此必须在线路上传送比包长还要小的MTU。为解决这个问题IP进行分片处理IP Fragmentation。所谓分片处理就是将较大的IP包分成多个较小的IP包。分片的包到了对端目标地址后再被组合起来传给上一层。从IP的上层看它完全可以忽略数据包在途中的各个数据链路上的MTU而只需要按照源地址发送的长度接收数据包。IP就实现了数据链路层的抽象使得从上层更不容易看到底层网络构造的细节。
4IP属于无连接型
IP面向无连接也就是在发包之前不需要建立与目标地址之前的连接。当数据链路层有需要发送的数据该数据会立即被压缩成IP包发送出去。而面向有连接的情况则不同目标主机关机或者不存在则不可能建立连接那么也不可能发送数据过去。为什么IP要采用面向无连接呢原因在于简化和提速。有连接型要比无连接型复杂的多如前期需要握手而且在处理连接过程中需要耗费时间。
IP提供尽力服务Best Effort就是尽最大努力将数据包发送到最终目标地址然而其并不做“最终是否收到的验证”。因此IP数据包在途中可能会发生丢失、错位以及数据翻倍等问题。为了提高通信的可靠性TCP发挥重要作用如果说IP只负责将数据发给目标主机那么TCP则负责保证对目标确实收到数据。为什么不让IP具有可靠传输的功能呢原因在于如果要一种协议规定所有的功能和作用那么该协议的具体实现和编程会变得非常复杂无法轻易实现而且难以维护。相比而言按照网络分层明确定义每层协议的作用和责任后针对每层具体的协议进行编程会更加有利于该协议的实现。
2. IP地址基础知识
1IP地址定义
在使用TCP/IP通信时用IP地址识别主机和路由器。为了保证正常通信有必要为每个设备正确配置IP地址。IP地址分为IPv4和IPv6。IP地址以IPv4为例由32位正整数来表示。TCP/IP通信要求将这样的IP地址分配给每一个参与通信的主机。IP地址在计算机内部以二进制二进制是指用0、1表示数字的方法方式被处理。而我们并不习惯用二进制方式计数因而将32位的IP地址以每8位为一组分为4组每组以“.”隔开再将每组数转为十进制数。以图4为例。注意在这里2进制转10进制2^7 2^5 2^3 2^2 172如图5而10进制转2进制10101100如图6。 图4IP地址数字表示 图5二进制转10进制计算方法 图610进制转2进制计算方法 将表示成IP地址的数字整体计算最多大概允许2^32 4294967296台计算机连接到网络。
2IP地址组成
IP地址由网络标识和主机标识两部分组成。例如IP地址192.168.128.10/24“/24”表示从第一位到24位属于网络标识在这里“192.168.128”属于网络标识也就是网络地址而最后的“10”为主机标识也就是主机地址。网络标识在数据链路的每个段配置不同的值。网络标识必须保证相互连接的每个段的地址不相重复。而相同段内相连的主机必须有相同的网络地址。IP地址的主机标识不允许在相同的网段内重复出现。由此可以通过设置网络地址和主机地址在相互连接的整个网络中保证每台主机的IP地址都不会相互重叠。即IP地址具有唯一性。如图7所示IP包被转发到途中某个路由器时正是利用目标IP地址的网络标识进行路由。路由器只要一看IP地址的网络标识就可以进行转发。 图7IP地址的网络标识
3IP地址的分类
IP地址分为A类、B类、C类、D类四类。根据IP地址中从第1位到第4位的比特列对其网络标识和主机标识进行区分。如图8所示A类IP地址是首位以“0”开头的地址从第1位到第8位是网络标识去掉分类位剩下7位。用十进制表示的话0.0.0.0~127.0.0.0是A类的网络地址。A类地址的后24位相当于主机标识。因此一个网络内可容纳的主机地址上限为16,777,214个。B类地址是前两位为“10”的地址。从第1位到第16位是网络标识。用十进制表示的话128.0.0.0~191.255.0.0是B类的网络地址。B类地址的后16位相当于主机标识。因此一个网络内可容纳的主机地址上限是65,534个。C类地址是前三位“110”的地址。从第1位到第24位是它的网络标识。用十进制表示的话192.0.0.0~223.255.255.0是C类的网络地址。C类地址的后8位相当于主机标识因此一个网络内可容纳的主机地址上限为254个。D类地址是前四位为“1110”的地址。从第1位到第32位是它的网路地址。用十进制表示的话224.0.0.0~239.255.255.255是D类的网络地址。D类地址没有主机识别地址常被用于多播。注意分配IP地址时不可以全部为0或全部为1.因为全部为0在表示对应的网络地址或IP地址不可获知的情况下才使用。而全部为1的主机地址通常作为广播地址。因此C类地址的个数是2^8-2254个。 图8IP地址的分类 广播地址用于在同一个链路相互连接的主机之间发送数据包。将IP地址中的主机地址部分全部设置为1就成了广播地址。在以太网中如果将MAC地址的所有位都改为1则形成FFFFFFFFFFFF的广播地址。因此广播的IP包以数据链路的帧的形式发送时得通过MAC地址全为1比特的FFFFFFFFFFFF转发。例如把172.20.0.0/16用二进制表示10101100.00010100.00000000.00000000将这个地址的主机部分全部改为1则形成广播地址10101100.00010100.11111111.11111111再将这个地址用十进制表示则为172.20.255.255。 广播分为本地广播和直接广播两种。在本网络内的广播叫做本地广播。例如网络地址为192.168.0.0/24的情况下广播地址是192.168.0.255。因为这个广播地址的IP包会被路由器屏蔽所以不会到达192.168.0.0/24以外的其他链路上。在不同网络之间的广播叫做直接广播。例如网络地址为192.168.0.0/24的主机向192.168.1.255/24的目标地址发送IP包。收到这个包的路由器将数据转发给192.168.1.0/24从而使得所有192.168.1.1~192.168.1.254的主机都能收到这个包由于直接广播有一定的安全问题所以多数情况下载路由器上设置为不转发。
2. IP数据报文格式 图9IPv4数据报格式
通过IP进行通信时需要在数据的前面加入IP首部信息。IP首部中包含着用于IP协议进行发包控制时所有的必要信息。如图9所示为IPv4数据报格式。
1IPv4首部
版本Version 由4比特构成表示标识IP首部的版本号。IPv4的版本号为4因此在这个字段上值也是4。
首部长度IHLInternet Header Length 由4比特构成表明IP首部的大小单位为4字节32比特。对于没有可选项的IP包首部长度则设为5.也就是说在没有可选项时IP首部的长度为20字节。
区分服务TOSType Of Service 由8比特构成用来表明服务质量。每一位的具体含义如表所示。
比特含义0 1 2优先度3最低延迟4最大吞吐5最大可靠性6最小代价3~6最大安全7未定义
这个值通常由应用指定。而且现在也鼓励这种结合应用的特性设定TOS的方法。然而在目前几乎所有的网络都无视这些字段。这不仅仅是因为在符合质量要求的情况下按其要求发送本身的功能实现起来十分困难还因为若不符合质量要求就可能会产生不公平的现象。因此实现TOS控制变得极其复杂。这也导致TOS整个互联网几乎就没有被投入使用。不过已有人提出将TOS字段本身再划分为DSCPDifferentiated Services Codepoint和ECNExplicit Congestion Notification两个字段的建议。在图10中DSCP和ECN分别为6比特和2比特。DSCPDifferential Services Codepoint差分服务代码点是TOSType Of Service的一部分。现在统称为DiffServ用来进行质量控制。ECNExplicit Congestion Notification显示拥塞通告用来报告网络拥堵情况。第6位的ECT用以通告上层TCP协议是否处理ECN。当路由器在转发ECN为1的包的过程中如果出现网络拥堵的情况就将CE位设置为1。 图10DSCP和ECN
比特简称含义6ECTECN-Capable Transport7CECongestion Experienced
总长度Total Length 表示IP首部与数据部分合起来的总字节数。该字段长16比特。因此IP包的最大长度655352^16字节。目前还不存在能够传输最大长度为65535字节的IP包的数据链路。不过由于有IP分片处理从IP的上一层的角度看不论底层采用哪种数据链路都可以认为能够以IP的最大包长传输数据。
标识IDIdentification 由16比特构成用于分片重组。同一个分片的标识值相同不同分片的标识值不同。通常每发送一个IP包它的值也逐渐递增。此外即使ID相同如果目的地址、源地址或协议不同的话也会被认为是不同的分片。
标志Flags 由3比特构成表示包被分片的相关信息。每一位的具体含义参考下表
比特含义0未使用。现在必须是01 指示是否进行分片dont fragment 0-可以分片 1-不能分片 2 包被分片的情况下表示是否为最后一个包more fragment。 0-最后一个分片的包 1-分片中段的包 片偏移FOFragment Offset 由13比特构成用来标识被分片的每一个分段相对于原始数据的位置。第一个分片对应的值为0.由于FO字段占13位因此最多可以表示81922^13个相对位置。单位为8字节因此最大可表示原始数据8*819265535字节的位置。
生存时间TTLTime To Live 由8比特构成它最初的意思是以秒为单位记录当前包在网络上应该生存的期限。然而在实际中它是指可以中转多少个路由器的意思。没经过一个路由器TTL会减少1直到变成0则丢弃该包。
协议Protocol 由8比特构成表示的是IP包传输层的上层协议编号。目前常使用的协议如下表所示
分配编号简称协议0HOPOPTIPv6 Hop-by-Hop Option1ICMPInternet Control Message2IGMPInternet Group Management4IPIP in IP(encapsulation)6TCPTransmission Control8EGPExterior Gateway Protocol9IGP any private interior gateway(Cisco IGRP)17UDPUser Datagram33DCCPDatagram Congestion Control Protocol41IPv6IPv643IPv6-Route Routing Header for IPv6 44IPv6-FragFragment Header for IPv646RSVPReservation Protocol50ESPEncap Security Payload51AHAuthentication Header58IPv6-ICMPICMP for IPv659IPv6-NoNxtNo Next Header for IPv660IPv6-OptsDestination Options for IPv688EIGRPEIGRP89OSPFIGPOSPF97ETHERIPEthernet-within-IP Encapsulation103PIMProtocol Independent Multicast108IPComp IP Payload Compression Protocol112VRRPVirul Router Redundancy Protocol115L2TPLayer Two Tunneling Protocol124ISIS over IPv4ISIS over IPv4132SCTPStream Control Transmission Protocol133FCFibre Channel134RSVP-E2E-IGNORERSVP-E2E-IGNORE135Mobility HeaderIPv6Mobility HeaderIPv6136UDPLiteUDP-Lite137MPLS-in-IPMPLS-in-IP 首部校验和Header Checksum 由16比特2字节构成也叫IP首部校验和。该字段只校验数据报的首部不校验数据部分。它主要用来确保IP数据报不被破坏。校验和的计算过程首先要将该校验和的所有位置设置为0然后以16比特为单位划分IP首部并用1补数计算所有16位字的和。最后将所 得到这个和的1补数赋给首部校验和字段。
源地址Source Address 由32比特4字节构成表示发送端IP地址
目的地址Destination Address 由32比特4字节构成表示接收端IP地址
可选项Options 长度可变通常只在进行实现或诊断时使用。该字段包含如下几点信息 安全级别源路径路径记录时间戳填充Padding 也称为填充物。在有可选项的情况下首部长度可能不是32比特的整数倍。为此通过向字段填充0调整为32比特的整数倍。
数据Data 存入数据。将IP上层协议的首部也作为数据进行处理。
