通俗易懂网络协议（IP）

之前写过一篇 《通俗易懂TCP/IP(概述)》 ，广受欢迎和好评，有网友催更，便抽空续写IP章节，回应粉丝期待。

TCP/IP网络模型

TCP/IP网络模型分为4层，自下而上分布为链路层(又叫网络接口层)、网络层、传输层、应用层。

• 链路层：处理数据在媒介上的表示、传输以及与硬件交互的细节。
• 网络层：IP层负责IP数据报的路由转发，所有的TCP、UDP、ICMP和IGMP数据都通过IP数据报传输。网络层(IP)提供了一种尽力而为、无连接、不可靠的数据报交付服务，IP负责将IP数据报(又叫分组)放入数据链路层传输，并处理分片和重组逻辑。
• 传输层：为端主机上运行的应用程序提供端到端服务，包括TCP和UDP。
• TCP提供了带流量控制、拥塞控制、有序、可靠的流交付，TCP需要处理丢包检测重传、重 排序 等IP层不处理的问题，TCP面向连接，不保留消息边界。
• UDP提供的功能基本上没有超越IP，不提供速率控制和差错控制，不保证可靠性，UDP只是提供一套端口号，用于复用、多路分解(即把收到的数据报交给应用层对应程序处理)和校验数据完整性(只检错不纠错)，UDP面向非连接，保留消息边界。
• 应用层：负责处理特定应用的细节，通常应用的实现都是基于TCP/IP或者UDP/IP。应用层与应用细节相关，与网络数据传输无关，而之下的三层(链路层、网络层、传输层)则对应用一无所知，但需要处理通信的细节。

分层&协议对照

OSI七层网络模型和TCP/IP四层网络模型的对应关系如下图，对应层的常用协议也列于表中。

分层的目标是隔离，通过分层实现：下层对上层透明，而上层利用下层提供的能力。

分层的另一个优点是协议复用，这种复用允许多种协议共存于同一基础设施之中，复用可以发生在不同层，并在每层都有不同类型的标识符区分，用于确定信息属于哪个协议。

比如在链路层的数据帧(Frame)有一个协议标识符字段，用来标识链路层帧携带的协议是IP还是ARP;又比如在网络层的IP数据报头部有一个8位协议字段，标识该IP数据报来自于TCP、还是UDP、亦或是ICMP、IGMP...

封装

数据在发送端从上到下经过TCP/IP协议栈，遵循应用层->TCP/UDP->IP->链路层的顺序。

当某层的一个协议数据单元(PDU)对象转换为由底层携带的数据格式表示，这个过程称为在相邻低层的封装，即上层被封装对象作为不透明数据充当底层的Payload部分，封装是层层包裹的过程。

每层都有自己的消息对象(PDU)的概念。

• TCP层的PDU叫TCP段(segment)
• UDP层的PDU叫UDP数据报(Datagram)
• IP层的PDU叫IP数据报(Datagram)
• 链路层的PDU叫链路层帧(Frame)

封装的本质是将来自上层的数据看成不透明、无须解释的信息，经过本层的处理，在上层PDU的前面加上本层协议的头部，有些协议是增加尾部(链路层)，头部用于在发送时复用数据，接收方基于各层封装过程中增加头部中的分解标识符执行分解。

具体到TCP传输数据而言，发送端的数据要经过三次封装。

• 应用层数据经过TCP层的时候，会增加TCP头部，产生TCP Segment，TCP头部中的端口号是该层的分解标识符。
• TCP Segment经过IP层的时候，会增加IP头部，产生IP Datagram，IP头部中的协议类型字段是该层的分解标识符。
• IP分组经过链路层的时候，会增加以太网首部和尾部，产生以太网Frame，帧头部中的以太网类型字段，可用于区分IPv4(0x8000)、IPv6(0x86DD)和ARP(0x0806)。

分用

数据到达接收端(是目的机器)，会从下到上经过TCP/IP协议栈，遵循链路层->IP->TCP/UDP->应用层的顺序。

接收端的数据还原也需要经历三次解封。

• 经过链路层会剥离以太网首尾部，根据以太网类型字段，如果是IP Datagram则交给IP模块。
• 经过IP层会清除IP头部，根据IP头部中的协议类型字段，交给TCP、UDP或者ICMP、IGMP模块。
• 经过TCP/UDP层去掉TCP/UDP头部，根据端口号，最终将数据还原取出，并交付给应用程序。

封装发生在发送方，拆封(还原)发生在接收方。

消息边界

应用层将协议携带的数据写入消息，消息边界是两次写入操作之间的位置或字节偏移量。

保留消息边界的协议(UDP)在接收方能获得发送方的消息边界，而不保留消息边界的协议(TCP)在接收方将不能获得发送方的消息边界。

比如发送端通过UDP协议先后发送2个大小分别为100、200字节的消息，接收端通过UDP协议接收数据，将分2次分别接收到100、200字节的消息，但不保证接收100、200消息的先后顺序。

而TCP是数据流协议，如果发送端通过TCP协议先后发送2个大小为100和200字节的消息，接收端会收到300字节数据，但每次接收返回的不一定是100、200字节消息，接收端丢失了发送端的消息边界。

网络地址

IP地址用于IP层，IPv4的IP地址是32位整数，最多可以表示40多亿个IP地址，按8位一字节，则分为4字节，每个字节是一个0~255的无符号整数，所以可以表示为“abc.def.ghi.jkl”的点分十进制格式，也可以表示为32位无符号整数。

点分十进制和无符号32位无符号整数可以很容易换算。

IPv4地址空间分成五大类，A、B、C类用于Internet单播，D类地址供组播使用，E类地址保留。

IPv4的32位又被划分为网络号和主机号，可以把网络号想象成到小区的邮政地址，而主机号想象成房间号。

链路层使用48bit的MAC地址，ARP和RARP用于IP地址和MAC地址之间的相互换算。

应用程序编程接口

操作系统通过提供编程接口(API)来支持应用程序的网络开发，目前最流行的API是套接字(Socket)，也叫Berkeley套接字。

Socket抽象层位于应用层跟传输层之间，提供创建、绑定、监听、连接、发送、接收、关闭等常用方法。

Internet协议

IP是TCP/IP协议族中的核心协议，为传输层提供IP数据报的交付能力，它负责将IP数据报从网络一端传递到另一端，实现数据转发。

IP的另一个作用是：在发送端，接收来自传输层的协议数据单元(PDU)，添加IP首部封装为IP数据报，交给协议族的下一层链路层。

在接收端(包括中间路由器)，接收来自链路层的PDU，去掉IP首部，根据IP首部中的协议类型，将数据分发给TCP、UDP或者其他。

IP只是完成分组交换(转发)，如果你希望得到可靠性保证，IP会说：对不起，做不了。

发送一个IP数据报犹如寄一个快递，只需把目的地收件人写在快递上，快递公司会路由分发，但中间有可能丢件，丢了不管，而且到了，也不会有确认，一切随缘。

基于TCP/IP协议族构建的网络，可以区分为端系统(两边的主机)和中间系统(中间路由器)，端主机实现网络所有层，而路由器实现传输层之下的所有层，IP使用逐跳协议，IP之上的各层使用端到端协议。

路由器

路由器工作于网络层，是IP层的核心设备。

路由器有两个或两个以上的网络接口，用于连接两个或多个网络，负责将IP数据报(分组)从一个网络接口转发到另一个网络接口。

带有多网络接口(网卡)的主机也能承担转发分组的功能，这种主机称为作为路由器使用的主机。

如果把一个村庄比喻成一个小的局域网，那路由器就相当于连接村庄的桥梁，路由器属于中间系统，所以连接不同网络的路由器需要实现不同的链路层协议，完成不同链路层的翻译转换功能。

另一方面，路由器实现链路层+网络层这2层就够了，而不必实现传输层和应用层，这是由它的功能(实现分组交换)决定的。

每个IP分组都是一个IP数据报，包含发送方和接收方的第三层地址(IP地址)，即32位的IPv4或128位的IPv6，IP数据报首部中的目的地址决定将该数据报发往何处，而做出决定和发送数据报到下一跳的过程叫转发，转发依赖于路由表，是存储于内存中的一个数据结构。

IP协议格式

在贴出IP协议格式之前，我们可以设想一下，IP协议需要包括哪些信息，这比直接上图+死记硬背要好。

根据之前封装的描述，显然，IP数据报应该是包括IP首部+数据负载，而这个不透明的负载(Payload)来自于TCP、UDP或者其他。

所以我们讲IP数据报格式，其实就是IP首部的组成和结构，因为数据负载来自于上层，而封装的本质要求上层的数据对下层隐藏、无须解释，既然IP的Payload对于IP层透明，那自然没什么可讲的。

IP首部由各种不同用途和含义的字段组成。

因为IP分32位的IPv4和128位的IPv6，所以IP首部需要包括版本号字段用来区分这两种情况。

因为IP负责分组转发，所以IP首部应该包括目的IP地址，用于路由转发逻辑的处理，另外接收端可能需要找到该分组的来源，所以也应该包含来源IP地址。

TCP、UDP、ICMP、IGMP都通过IP数据报传输，所以在IP首部，需要包含一个协议字段，用于区分该IP数据报承载的是哪种类型的协议。

IP不纠错，但是需要检查错误，数据在传输过程中，有可能出错，导致接收到的数据跟发送的不一样，所以接收端需要有方法知道传输过程中，数据是否跟发送端一致，所以头部校验和字段也是必要的。

因为IP要处理分片和重组，所以IP首部需要包含相关信息，以支持该功能。

IP分IPv4和IPv6两种，协议格式不同，本文讲述以IPv4为主，先给一个IPv4的数据报图，不带选项的IP数据报头部为20字节。

• 版本，IP协议的第一个字段都是版本字段，这也是IPv4和IPv6唯一相同的字段，IP数据报的版本字段为4对应IPv4，为6对应IPv6，主机或者路由器可以根据版本字段，分别处理IPv4或IPv6(称为双栈)。
• IHL，Internet头部长度，该字段为4位，表示头部(包括选项)32位字的数量，也就是说，真正的用字节表示的头部长度应该是IHL的值，再乘以4(32位=4字节)，因为4位能表示的最大2进制为1111，对应十进制15，所以IPv4的首部最多60(15*4)字节。
• DS，服务类型字段占6bit，显示控制通知(ECN)占2bit，一共8bit，该8bit用来替换了最初版本的服务类型(ToS)字段，原因是ToS其实没怎么被用。
• 总长度字段，是IP数据报的总长度，包括首部和数据。

接下来的32位字(4字节)，标识(16bit)+标志(3bit)+分片偏移(13bit)用于分片和重组逻辑。

• TTL，生存期字段用于设置数据报可经过路由器数量的上限。超此上限的IP数据报将被丢弃。
• 协议字段，8bit，提供多路分解功能，满足IP协议可用于携带多种(TCP、UDP、ICMP、IGMP等)协议类型的有效载荷的要求，TCP对应值17，UDP对应值为6。
• 头部校验和字段，仅计算IPv4头部，不包括数据，数据(Payload)的校验由传输层协议去保证，校验和的含义很简单明了，在发送端根据IP头部的各位计算出一个数值，接收端根据接收到的IP头部的各位重算一个数值，如果该值等于校验和字段，那就哦了，否则，传输过程中出错了，这个IP数据报不靠谱，扔了吧。

分片和重组

链路层对可传输的帧有一个最大长度的限制，以太网对数据帧的长度上限是1500字节，链路层可传输帧的长度限制叫做最大传输单元(MTU)。

如果IP层有一个数据报要传，且数据长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要对该数据报分片(fragmentation)，把超限的数据报切分为若干片，使得每片都小于MTU限制。

IP层接收到一份要发送的数据报时，通过选路逻辑来决定向哪个接口(网卡)发送数据，发送数据之前，需要查询该接口获得其MTU，然后将数据报长度与MTU进行比较，如果需要，则进行分片，分片可以发生在原始发送端主机，也可以发生在中间路由器上。

IP数据报分片后，到达目的地后才进行重新组装，恢复分片前的IP数据报信息，重组由目的主机的IP层完成。因此，分片和重组对传输层(TCP、UDP)透明，IP首部中的标识、标志、分片偏移字段为分片和重组提供了足够的信息。

IP数据报首部中的标识(16bit)保存分片的唯一值，这意味着属于同一IP数据报的多个分片拥有相同的标识值。

标志(3bit)字段中的一位用来表示“是否有更多的片”，除最后一片外，其他组成数据报的分片该位设1，最后一片置0表示没有更多的片，也就是最后一片;片偏移字段用来标识该片在原始IP数据报中的位置。

当IP数据报切分为多个分片(IP数据报)后，每个分片的总长度字段(16bit)要更改为该片的长度值。

对链路层而言，不管是完整的IP数据报，还是IP数据报的一个分片，都以IP分组同等视之，分组是IP层把数据报传递给链路层的一个概念，既可能是一个独立IP数据报也可能是一个IP数据报的分片。每个分组(分片)都有自己的IP首部，并在选路时与其他分组(分片)独立路由，所以这些分片到达目的端可能失序，但IP首部有足够信息重新组装这些片。

任何一个分片的丢失，都要导致重传整个数据报，这是因为重传机制在传输层，而分片对传输层透明。

上图是UDP数据报在IP层的分片示例，可见UDP首部只存在第一个分组(分片)之中，这很容易理解，因为经传输层封装后的数据报对于IP层而言是透明的，IP不区分UDP首部和UDP数据，它们都是不透明的Payload。

接收端在收到IP分片后，相同标识值的分片属于同一个被切分的数据报，然后对分片偏移排序，更多片标志位为0的分组是最后一片，排序后的分组，如果分配偏移连续，且最后一个分组也到达，则表示整个数据报都到达了，则恢复数据报，否则继续等待。

IP转发

IP转发的概念很简单，就是路由器为IP数据报挑选一个接口发送出去。

从发送端到目的端，之间经历的所有路由器构成网络路由的完整路径，这跟从家到公司经过的所有路口构成的路径类似。

当网络接口(网卡)收到数据报时，IP模块检查数据报目的地址是否为自己的IP地址，如果是，数据报交付给由协议字段指定的协议模块(TCP、UDP等)，如果不是，则判断IP层是否配置为路由器，如果是，则转发，如果不是，丢弃，因为主机不转发那些不是由它生成的数据报。

IP层包含一些位于内存中的信息，称为路由表，每次转发数据报时，都要查询路由表，执行最长前缀匹配法，决定挑选哪个路由表项做数据转发。IP转发逐跳进行，每次转发假设离目的地更近一步，路由器和主机不包含到目的地的完整路径信息。

路由表是路由条目的列表，每个路由条目包括以下几项关键信息。

• 目的地：一个32位字段，用于与掩码操作结果相匹配。
• 掩码：一个32位字段，用于与IP数据报中的目的IP地址做按位与操作。
• 下一跳：下一个IP实体(路由器或者主机)的32位IP地址，数据报将被转发到该地址。
• 接口：用于将数据报发送给下一跳的网络接口(网卡)。

选路过程：

• 首先取出数据报中的目的IP地址，然后与路由条目的掩码字段进行按位与，按位与的结果如果等于路由条目的目的地，则该条目与目的地IP匹配，该条目进入候选集合。
• 从候选集合中选择最匹配的条目，即掩码最多位为1的条目，取出下一跳字段作为转发数据报的下一跳IP地址。
• 通过最匹配条目的网络接口，发送到下一跳。
• 如果没有匹配条目，则数据报无法交付，通过ICMP发送“主机不可达”通知发送主机。

通常路由表会有一个默认路由项目，用于默认路由，每经过一个路由器，IP首部中的TTL字段都要自减1。