IP网络协议

IP是Internet Protocol(网际互连协议)的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。设计IP的目的是提高网络的可扩展性：一是解决互联网问题，实现大规模、异构网络的互联互通;二是分割顶层网络应用和底层网络技术之间的耦合关系，以利于两者的独立发展。根据端到端的设计原则，IP只为主机提供一种无连接、不可靠的、尽力而为的数据包传输服务。

IP是整个TCP/IP协议族的核心，也是构成互联网的基础。IP位于TCP/IP模型的网络层(相当于OSI模型的网络层)，它可以向传输层提供各种协议的信息，例如TCP、UDP等;对下可将IP信息包放到链路层，通过以太网、令牌环网络等各种技术来传送。为了能适应异构网络，IP强调适应性、简洁性和可操作性，并在可靠性做了一定的牺牲。IP不保证分组的交付时限和可靠性，所传送分组有可能出现丢失、重复、延迟或乱序等问题。IP主要包含三方面内容：IP编址方案、分组封装格式及分组转发规则。 IP分组的转发规则路由器仅根据网络地址进行转发。当IP数据包经由路由器转发时，如果目标网络与本地路由器直接相连，则直接将数据包交付给目标主机，这称为直接交付;否则，路由器通过路由表查找路由信息，并将数据包转交给指明的下一跳路由器，这称为间接交付。路由器在间接交付中，若路由表中有到达目标网络的路由，则把数据包传送给路由表指明的下一跳路由器;如果没有路由，但路由表中有一个默认路由，则把数据包传送给指明的默认路由器;如果两者都没有，则丢弃数据包并报告错误。IP分片一个IP包从源主机传输到目标主机可能需要经过多个不同的物理网络。由于各种网络的数据帧都有一个最大传输单元(MTU)的限制，如以太网帧的MTU是1500;因此，当路由器在转发IP包时，如果数据包的大小超过了出口链路的最大传输单元时，则会将该IP分组分解成很多足够小的片段，以便能够在目标链路上进行传输。这些IP分片重新封装一个IP包独立传输，并在到达目标主机时才会被重组起来。 IP分组结构一个IP分组由首部和数据两部分组成。首部的前20字节是所有IP分组必须具有的，也称固定首部。在首部固定部分的后面是一些可选字段，其长度是可变的。

IP所提供的服务大致可归纳为两类： ●IP信息包的传送。●IP信息包的分割与重组。IP信息包传送IP是网络之间信息传送的协议，可将IP信息包从源设备(例如用户的计算机)传送到目的设备(例如某部门的www服务器)。为了达到这样的目的，IP必须依赖IP地址与IP路由器两种机制来实现。 [2] IP地址IP规定网络上所有的设备都必须有一个独一无二的IP地址，就好比是邮件上都必须注明收件人地址，邮递员才能将邮件送到。同理，每个IP信息包都必须包含有目的设备的IP地址，信息包才可以正确地送到目的地。同一设备不可以拥有多个IP地址，所有使用IP的网络设备至少有一个唯一的IP地址。IP路由互联网是由许多个网络连接所形成的大型网络。如果要在互联网中传送IP信息包，除了确保网络上每个设备都有一个唯一的IP地址之外，网络之间还必须有传送的机制，才能将IP信息包通过一个个的网络传送到目的地。此种传送机制称为IP路由。各个网络通过路由器相互连接。路由器的功能是为IP信息包选择传送的路径。换言之，必须依靠沿途各路由器的通力合作，才能将IP信息包送到目的地。在IP路由的过程中，由路由器负责选择路径，IP信息包则是被传送的对象。

IP地址与IP路由是IP信息包传送的基础。此外，IP信息包传送时还有一项很重要的特性，即使用非连接式的传送方式。非连接式的传送方式是指IP信息包传送时，源设备与目的设备双方不必事先连接，即可将IP信息包送达。即源设备完全不用理会目的设备，而只是单纯地将IP信息包逐一送出。至于目的设备是否收到每个信息包、是否收到正确的信息包等，则由上层的协议(例如TCP)来负责检查。 [2] 使用非连接式的优点是过程简单化，可提高传输的效率。此外，由于IP信息包必须通过IP路由的机制，在一个个路由器之间传递，非连接式的传送方式较易在此种机制中运行。 [2] 相对于非连接式的传送方式，也有连接式的传送方式，也就是源与目的设备双方必须先建立连接，才能进一步传输数据，TCP就是使用连接式的传送方式。 [2] IP信息包的分割与重组为了能把一个IP报文放在不同的物理帧中，最大IP报文的长度就只能等于这条路径上所有物理网络的MTU的最小值。当数据报通过一个可以传输长度更大的帧的网络时，把数据报的大小限制在互联网上最小的MTU之下不经济;如果数据报的长度超过互联网中最小的MTU值的话，则当该数据报在穿越该子网时，就无法被封装在一个帧中。 [2] IP协议在发送IP报文时，一般选择一个合适的初始长度。如果这个报文要经历的中间物理网络的MTU值比IP报文长度要小，则IP协议把这个报文的数据部分分割成若干个较小的数据片，组成较小的报文，然后放到物理帧中去发送。每个小的报文称为一个分段。分段的动作一般在路由器上进行。如果路由器从某个网络接口收到了一个IP报文，要向另外一个网络转发，而该网络的MTU比IP报文长度要小，那么就要把该IP报文分成多个小IP分段后再分别发送。 [2] 重组是分段的逆过程，把若干个IP分段重新组合后还原为原来的IP报文。在目的端收到一个IP报文时，可以根据其分段偏移和MF标志位来判断它是否是一个分段。如果MF位是0，并且分段偏移为0，则表明这是一个完整的IP数据报。否则，如果分段偏移不为0，或者MF标志位为1，则表明它是一个分段。这时目的地端需要实行分段重组。IP协议根据IP报文头中的标识符字段的值来确定哪些分段属于同一个原始报文，根据分段偏移来确定分段在原始报文中的位置。如果一个IP数据报的所有分段都正确地到达目的地，则把它重新组织成一个完整的报文后交给上层协议去处理。 [2] 总结如下：IP信息包在传送过程中，可能会经过许多个使用不同技术的网络。假设IP信息包是从ATM网络所发出，原始长度为9180B，如果IP路由途中经过以太网络，便面临信息包太大，无法在以太网络上传输的障碍。为了解决此问题，路由器必须有IP信息包分割与重组的机制，将过长的信息包进行分割，以便能在最大传输单位较小的网络上传输。分割后的IP信息包，由目的设备接收后重组，恢复成原来IP信息包。