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TCP/IP体系中设计网络层协议基于以下两个原因[32]:
•没有一个物理网络能够为所有用户服务。
支持高速通信的局域网总会受到地理跨度的限制,广域网跨越很大的距离,但是速度
较慢,因此,任何一个单一的物理网络无法满足所有的需要,因此希望实现一个可以连接不
同物理网络的技术。
•用户希望通用的互连。
但是,人们恰恰希望能够不受地理和网络结构的限制与不同的主机进行通信。因此,
就需要采用一种技术,将不同种类的网络连接,并在这些网络之间插入设备和软件,以支持
一种通用的服务,使整个相连的网络看起来像一个单一的网络,这样的一种互连方案就为称
网际互连,所形成的网络就为称internet(互联网)。在internet中,不同网络依靠一种为称
网关的计算机进行连接。网络内的主机发送的信息由网关负责选择路由并发送到目的地。
IP就是这样一个网络层协议。IP提供了一种不可靠的、无连接的数据报传输服务,不
可靠是指IP并不保证一个IP报文可以成功的到达目标主机,然而它提供尽力传送,即它将
数据报发送出去并且希望它能到达目的主机,但是如果出现重复或无序传输也不通知发送
者;无连接是指每一个分组的处理都独立于其它分组,在传输前并没有在通信双方之间建立
链路,一个分组从一个机器发出,可以经由不同的路径到达另一台机器。
IP协议包括三个部分:
•IP地址
IP地址对网上的某个节点来说是一个逻辑地址,它独立于任何特定的网络硬件和网络
配置,不管物理网络如何,它都有相同的格式。IP分组的传输依靠IP地址来选择路由,因
此,IP地址是IP协议中重要的一部分[31]。
•IP分组
IP分组是因特网上传递的基本分组单元,其中包含IP分组的源地址和目标地址,在IP
分组的传递过程中,不管跨越多少个物理网络,IP协议的路由机制都能够保证将数据送到
正确的目的地。
•分组路由选择
IP协议中还包括在传递IP数据报时如何进行路由,这是保证IP数据报能够到达指定
目标地址的关键。由于IP路由选择不是设计中的内容,故本文不讨论[31]。
(1)版本号
4位段,表示协议支持的IP版本号。在处理IP分组之前,所有IP软件都要检查分组
的版本号,以保证分组格式与软件期待的格式一样。如果版本不同,设备将拒绝与其协议版
本不同的IP分组。现在使用的版本为4。版本1-3现在已经不使用。
(2)报头长
4位段,表示IP分组头的长度,单位为32位(4个字节),范围为5到15。
(3)服务类型
8位段,表示分组所希望得到的服务质量。它允许主机指定在网络上传输分组的服务
种类,也允许选择分组的优先以级及希望得到的可靠性和资源消耗。该段的具体内容如下:
(4)总长度
16位段,表示IP分组的总长度,包括分组头和数据的长度,单位是字节。虽然这个
16位数据段可以表示的数据报的总长度为65535字节,但网络上的设备不太可能都支持这
么大的数据报,因此,IP规范规定,所有的主机和路由器至少能支持576字节的分组长度。
在网络设备转发IP报时,可能将报文拆分,此时总长度是拆分后的长度。
(5)标识符
16位,该整数唯一的标识该IP分组。在IP分组传输过程中,可能要通过一些子网。
这些子网允许的最大协议数据单元长度可能小于该IP分组的长度,此时,主机就会将IP分
组拆分为较小的IP分组,而接收方则需要将拆分后的分组组合为原来的IP分组,这时就需
要使用这个16位的标识符来检测分组是否是同一个数据报。IP模块通过标识符完成分片的
分组和重组。
(6)标志
3位段,控制标志。按传输的先后顺序,这三位分别为:未定义、不可分片位、还有
分组片位。
不可分片位:置1表示不要将IP分组分片,表示网络设备在转发IP分组报时不应该
拆分该IP分组。当只有完整的IP分组才有意义的情况下才使用该位。
还有分组片位:1:表示该分组后面还有分组;0:表示该分组是最后分组。
(7)分组片偏移
13位段,表示当前分组报在初始IP分组中的位置。为了重组IP分组,接收方要得到
从偏移0开始直到最高偏移值之间的所有分组片。这些分组片不需要按顺序到达,接收分
组片的主机与分割IP分组的路由器之间不进行通信就可以重新组合IP分组。分组片偏移以
64位(8个字节)为位,单取值范围为0到8191,默认值是0。
(8)生存时间
8位段,指定IP分组能在互联网中生存的最长时间。该值在IP分组每通过一个路由器
时被减1,当该值降为0时,分组将被丢弃。这样可以保证一个IP分组不会在互联网中无
休止的传输。
(9)协议
8位段,指定上层协议的编号。其中,TCP为6;UDP为17,其它协议的编号见参考
文献[32]。
(10)分组头校验和
16位段,校验IP分组头的完整性。当IP分组头通过路由器时,分组头发生变化,校
验和应重新计算。校验和的计算方法:将校验和段的16位设置为0,然后将IP分组头从头
开始每两个字节为一个位单相加,如果相加结果有进位,则将和加1,如此循环,直到把所
有信息都相加完毕,最后将结果按位取反。
(11)源地址
32位的源地址段包含发送IP分组的源主机的IP地址。
(12)目标地址
32位的目标地址段包含接收IP分组的目标主机的IP地址。
(13)任选段
任选项可以用来提供扩充,为具体应用的不同需求使用。
(14)填充段IP分组头的长必须是4的整数倍(单位:字节)。填充段是为了使用任
选项的IP分组满足这个条件而设计的。通常用0作为填充数据。