网际协议(IP).ppt

网际协议（网际协议（IP）12/20/20221网际协议（网际协议（IP）IP是TCP/IP协议族中最核心的协议，所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务不可靠（Unreliable）的意思是它不能保证IP数据能成功地达到目的地。IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，IP有一个简单的处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP消息报给源主机，任何要求的可靠性必须由上层来提供（TCP）无连接（Connectionless）的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报处理是相互独立的。IP数据报可以不按发送顺序接收，可以选择不同线路传输。介绍两个有用命令：Ifconfig/Netstat12/20/20222IP数据报数据报基本的数据传送单元，为之指定了一个精确的数据格式。IP软件执行路由功能，为数据发送指定路径。IP还包含一套规则描述主机和路由器应该如何处理数据，出错数据应何时以及该如何产生，丢弃分组的条件。12/20/20223IP数据报数据报IP数据报分为两个部分IP数据报在传送时封装在下层数据帧的数据域，硬件不能识别IP格式。数据报头数据报数据域12/20/20224IP数据报数据报12/20/20225IP数据报数据报VERS:4个比特，版本号HLEN:4个比特，数据报头的长度（以多少个32位比特来度量），一般除了IP OPTIONS以及相应的PADDING字段可变，其他字段都是固定长，最常见的数据报头是无IP OPTIONS及PADDING字段，则总长为20字节，HLEN的值为5SERVICE TYPE（TYPE OF SERVICE）：指定应如何处理该数据报，它又分为5个子字段（见下图）12/20/20226IP数据报数据报SERVICE TYPE 字段格式头3位用于优先级（07），指定数据报的优先级，可以用于拥塞控制，目前主机和路由器一般都忽略该信息。lD：设置后表示要求低延迟lT：设置后表示要求高的吞吐量lR：设置后表示要求高的可靠性lC：设置后表示要求最小代价都用来给路由选择提供建议，不一定要执行。优先级优先级DTRC保留保留12/20/20227IP数据报数据报-服务类型服务类型TOS位位说明说明TOS位位说明说明0000正常（预设）0100最大吞吐量0001最小代价1000最小延时0010最高可靠性服务类型12/20/20228IP数据报数据报-服务类型服务类型-差分服务代码点差分服务代码点 DSCP（Differentiated Services Code Point），IETF于1998年12月发布了Diff-Serv（Differentiated Service）的QoS分类标准.它在每个数据包IP头部的服务类别TOS标识字节中，利用已使用的6比特和未使用的2比特字节，通过编码值来区分优先级。每一个DSCP编码值都被映射到一个已定义的PHB（Per-Hop-Behavior）标识码。通过键入DSCP值，电话、Windows客户和服务器等终端设备也可对流量进行标识。01234567DscpUnuse12/20/20229练习练习1例1：到达的分组的前8bit如下：01010001 接收者丢弃了这个分组，为什么？这个分组在传送过程中出现了差错，最左边的4个bit（0101）给出了版本，目前IP版本是第4版，正确的内容应该是0100，显然出现了差错，下一个分组表示首部长度，它表示（1*4=4），这是错误的，首部长度最小最小字节数是20（5*4），所以这个字段应该是0101。12/20/202210练习练习2例2：在一个分组中，HLEN的值是二进制的1010。试问这个分组携带了多少字节的选项？HLEN的值是10，这表明首部长度的字节数是10*4=40字节，前20个字节是基本首部，剩下的20字节是选项部分。12/20/202211练习练习3例3：在IP分组中，HLEN的值是516，而总长度字段的值是002816。试问这个分组携带了多少字节的数据？002816-（0000 0000 0010 1000）2 -2+8=10*4=40字节HLEN的值是5，表明首部长度字段数是5*4=20字节。总长度是40（将十六进制数0028转换为十进制数40），表明这个分组携带了20（40-20）字节的数据。12/20/202212IP数据报数据报TOTAL LENGTH:为IP数据报的总长度（包括头和数据，以多少个8位组来衡量），其为16比特，因此一个IP数据报可能的最大长度为65535个8位组。IDENTIFICATION、FLAGS和FRAGMENT OFFSET三个字段控制IP数据报的分片（Fragmentation）和组合（Reassembly）。12/20/20221316位标识CUDFMF13位片偏移对于发送端的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值，该值被复制到每个分片中。标志字段用其中一个比特来表示“更多的片”，除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都将该比特置1当前没有使用标志字段有一个比特称为“不分片”位，如果将这个比特置1，IP将不对数据报分片，相反把数据报丢弃并发送一个ICMP差错报文（”需要进行分片但设置了不分片比特“），给发送端。片偏移字段是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值12/20/202214IP数据报数据报IP数据报的分片和组合：lIP数据报是由软件处理，与硬件无关，因而在不同版本的协议中可规定其最大长度。l但由硬件处理的低层的数据帧长度是由硬件限定的例如：以太网最大可传送的帧长为1500个8位组，而FDDI为4470个8位组，这些限定值为最大传送单元（MTU）。l而IP数据报封装在低层的数据帧中，如果数据报需要通过一个具有较小的MTU的物理网络，那么为了适合物理网络MTU的要求，就必须把较大的数据报分片成较小的数据报，分片由路由器完成，但不能提供保证，把较小的数据报组合回原始的数据报在目的主机完成（路由器处理的最小数据单元为576个8位组）。12/20/202215IP数据报数据报 MTUMTU：网络规定的一个帧最多能够携带的数据量。网络规定的一个帧最多能够携带的数据量。IPIP数据报的长度只有小于或等于网络的数据报的长度只有小于或等于网络的MTUMTU，才才能在这个网络传输。能在这个网络传输。与路由器连接的各个网络的与路由器连接的各个网络的MTUMTU可能不同。可能不同。12/20/202216IP数据报数据报-IP封装封装IP数据报在各个物理网络中需要重新封装。12/20/202217IP数据报数据报-分片分片分片：IP数据报的尺寸大于将发往网络的MTU值时，路由器将IP数据报分成若干较小的部分的过程每个分片由报头区和数据区两部分构成每个分片经过独立的路由选择等处理过程，最终到达目的主机。12/20/202218IP数据报数据报-重组重组1、重组：在接收到所有分片的基础上，主机对分片进行重新组装的过程。2、目的主机进行重组。l减少了中间路由器的计算量l路由器可以为每个分片独立选路12/20/202219IP数据报数据报IDENTIFICATION（标识）字段l每一个原始数据报的IDENTIFICATION字段包含一个唯一的标识数据报的整数，在分片时，这个整数拷贝到原有分片，以便主机知道哪个分片属于哪个数据报。FRAGMENT OFFSET（位偏移）字段l通过指定各个分片在原始数据报中的偏移量而指定各个分片在原始数据报中的位置FLAGS（标志）字段：3位FLAGS的低两位控制分片l其中头一位（不要分片）设为1时表示不要分片，当某个路由器认为一个设为不要分片的数据报需要分片时，路由器放弃该数据报并向源主机发送一个出错消息l低一位（更多的分片）指定分片是否是一个原始数据报的中间部分或结束部分。若其设置为0，则表明该分片是最后一个分片，再通过检查各分片的偏移量，目的主机可以重新组合回原始数据报。12/20/202220IP数据报数据报在分片后，每一片都与原始的数据报有相同的头格式。TOTAL LENGTH设置为分片的长度，而非原始数据报的长度。数据报头数据600数据600数据200分片1头数据600分片1头数据600分片1头数据20012/20/202221IP数据报数据报FRAGMENT OFFSET字段分片1头数据1400分片1头数据1400分片1头数据1200原始数据03999139902799140028003999偏移量=0/8=0偏移量=1400/8=175偏移量=2800/8=35012/20/202222IP数据报数据报FLAGS字段：l其中头一位（不要分片）设为1时表示不要分片，当某个路由器认为一个设为不要分片的数据报需要分片时，路由器放弃该数据报并向源主机发送一个出错消息l低一位（更多的分片）指定分片是否是一个原始数据报的中间部分或结束部分。若其设置为0，则表明该分片是最后一个分片，再通过检查各分片的偏移量，目的主机可以重新组合回原始数据报。保留保留是否分片是否分片是否结束是否结束为1则不允许分片为0表示不分片或者为最后一个分片12/20/202223IP数据报数据报在TCP/IP中，数据报一旦被分片，则在到达目的主机之前就一直以单独的数据报存在，在到达主机后，才组合成原始的数据报。这样做的缺点：l都到接收端主机组合，效率不高，因为分片，同样的报头要多次出现在每个分片中。l接收端主机会设置一个组合计时器，若超过一个定时，则不再组合为原始数据报，这样只要有一个小的分组不能到达目的主机，则整个原始数据报就会出错，这就会增加整个网络传输出现错误的概率。这样做的优点：各个小的路由器可以独立路由，均衡负载。12/20/202224IP数据报数据报-不同网络的不同网络的MTU值值协议类型MTU超级通道（Hyperchannel）65535令牌环（16 Mbps）17914令牌环（4 Mbps）4464以太网1500FDDI4352X.25576PPP296表 不同网络的MTU值12/20/202225练习练习4例8：到达的分组的分片偏移值是100，第一个字节的编号是多少？我们能否知道最后一个字节的编号？由于偏移值是100，所以第一个字节的编号是100*8=800；但是要确定最后一个字节的编号需要知道分组的数据长度。12/20/202226练习练习5例9：到达的分组的分片偏移值是100，HLEN的值是5，而总长度字段的值是100。第一个字节和最后一个字节的编号是多少？第一个字节的编号是100*8=800，总长度是100字节，而首部长度通过HLEN=5可知为5*4=20字节，所以数据长度是100-20=80字节，所以第一个字节编号为800，最后一个字节编号为800+79=879字节。12/20/202227IP数据报数据报TIME TO LIVE(TTL)字段(以秒为单位)l指定数据报在网上的保留时间，每个处理该数据报的路由器都会根据已过去的时间减少这个字段的值，当其值为零时，就丢弃该数据报，并发回一个出错消息，这样就不会使一个数据报总在网络中占用资源。l当在没有时钟传同步时，一般路由器并不能知道精确的时间，一种简易的途径是：当路由器处理一个未经长时等待的数据报时，只要把TTL字段减一，而如果该路由器负载过大，数据报等待时间长，则减去其从到达路由器到得到处理这一段的秒数。对比选择网上时间12/20/202228IP数据报数据报PROTOCOL 字段l指定数据域的数据是由哪种高层协议创建的，因而也就相应地指定了数据域的格式HEADER CHECKSUM 字段l检验和，确保数据头（而非整个数据报）值的完整性，这就使得封装的高层协议数据需要自己的检验和SOURCE IP ADDRESS 字段l源主机32位IP地址DESTINATION IP ADDRESS 字段l目的主机32位IP地址PADDING 字段l由于IP OPTIONS的字段依据所选定的选项而有所不同，PADDING字段的作用是根据IP OPTIONS字段的长度把两个字段的长度和补到32位12/20/202229IP数据报数据报-协议类型协议类型16进制值进制值协议类型协议类型1ICMP（网际控制报文协议）2IGMP（网际组管理协议）6TCP（传输控制协议）17UDP（用户数据报协议）89OSPF（开放最短路径优先）表 协议类型12/20/202230IP数据报数据报-选项部分选项部分最后一个字段是任选项，是数据报中的一个可变长的可选信息。目前，这些任选项定义如下：l安全和处理限制（用于军事领域）l记录路径（让每个路由器记下它的IP地址）l时间戳（让每个路由器记下它的IP地址和时间）l宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的IP地址）l严格的源站选路（与宽松源站路由类似，要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他地址）。这些选项很少被使用，并非所有的主机和路由器都支持这些选项。选项字段一直都是以32bit作为界限，在必要的时候插入值为0的填充字节。这样就保证IP首部始终是32bit的整数倍（这是首部长度字段所要求的）。12/20/202231IP数据报数据报IP OPTIONS 字段在一般数据报中并不需要，主要用于网络测试和调试。IP OPTIONS 字段并非一个必选字段，如无此字段，则HLEN为5（也就是头长度为20字节）IP OPTIONS 的第一个8位组为选项代码字段：COPY(1)OPTION CLASS(2)OPTION NUMBER(5)不同的调试程序12/20/202232IP数据报数据报-路由选择路由选择在非直连网络中，目的IP地址不变，目的MAC地址逐跳改变。12/20/202233练习练习6例4：到达的分组的前几个16进制数字如下：45000028000100000102这个分组在被丢弃之前还能传送多少跳，数据属于上层的什么协议？在网络中了解一个数据能传送多少跳一般通过TTL字段给出，而TTL字段位于数据的第9个字节处。01000101 0000 00000000 0000 0010 10000000 0000 0000 00010000 0000 0000 00000000 00010000 0010TTL为为1跳跳PROTOCOLE为为IGMP协议协议12/20/202234综合练习综合练习数据报在到达时其首部有如下的信息（16进制表示）：45 00 00 54 00 03 00 00 20 06 00 00 7C 4E 03 02 B4 OE OF O21、有无任何选项？2、这个分组被分片了吗？3、数据的长度是多少？4、有没有使用校验和？5、这个分组能否通过多少个路由器？6、这个分组的标识号是多少？7、这个分组将要发往那台主机，IP地址是多少？12/20/202235IP数据报数据报12/20/202236校验和校验和大多数TCP/IP协议簇采用的差错检测方法是校验和。在发送端先计算校验和，并把得到的结果与分组一起发送出去，同理，接收端检测结果，如果正确，则接收，反之，丢弃。在发送端，将分组划分成为n位的段（在IP数据报的检验和中，n通常为16），将这些段相加后，得到的和也是n位，将此结果取反码，得到校验和。12/20/202237校验和校验和-计算过程计算过程1、将所有的分组划分为K段，每段n位。2、所有段使用反码相加获得总和（先将各段相加，再求反）3、总和求反变成校验和4、校验和与传输的数据一起发送。5、接收端进行相反过程12/20/202238校验和校验和-概念概念取反码N位段1N位段2N位段3N位段KN位 和N位校验和N位段1N位段2N位段3N位段KN位 和N位结果取反码N位校验和分组若结果为0，保留否则，丢弃12/20/202239校验和校验和例题：假定使用8位的校验和发送下面16位的数据报，求其随数据一起发送的校验和为多少？-1010 1001 0011 1001首先将要发送的数据分为2段，每段8位。相加后再求反，结果为校验和。1010 10010011 10011110 00100001 1101+求反12/20/202240IP的未来的未来IP主要存在三个方面的问题。这是Internet在过去快速增长所造成的结果。1、超过半数的B类地址已经被分配，在1995年已经耗尽。2、32bit的IP地址从长期的Internet增长角度来看，一般是不够用的。3、当前的路由结构没有层次结构，属于平面型（Flat）结构，每个网络都需要一个路由表，随着网络数目的增长，一个具有多个网络的网站就必须分配多个C类地址，而不是一个B类地址，因此路由表的规模会不断增长。无类别的域间路由选择CIDR提出了一个可以解决第三个问题的建议，对当前的IPV4进行扩充。12/20/202241