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TCP_IP详解卷一:第3章IP 网络协议

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发表于 2019-8-16 09:13:20 |显示全部楼层
3.1 引言

IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输(见图1-4)。许多刚开始接触TCP/IP的人对IP提供不可靠、无连接的数据报传送服务感到很奇怪,特别是那些具有X.25或SNA背景知识的人。

不可靠(unreliable)的意思是它不能保证IP数据报能成功地到达目的地。IP仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时,如某个路由器暂时用完了缓冲区,IP有一个简单的错误处理算法:丢弃该数据报,然后发送ICMP消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供(如TCP)。

无连接(connectionless)这个术语的意思是IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明,IP数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报(先是A,然后是B),每个数据报都是独立地进行路由选择,可能选择不同的路线,因此B可能在A到达之前先到达。

在本章,我们将简要介绍IP首部中的各个字段,讨论IP路由选择和子网的有关内容。还要介绍两个有用的命令:ifconfig和netstat。关于IP首部中一些字段的细节,将留在以后使用这些字段的时候再进行讨论。RFC 791[Postel 1981a]是IP的正式规范文件。



3.2 IP首部

IP数据报的格式如图3-1所示。普通的IP首部长为20个字节,除非含有选项字段。




3.3 IP路由选择

从概念上说,IP路由选择是简单的,特别对于主机来说。如果目的主机与源主机直接相连(如点对点链路)或都在一个共享网络上(以太网或令牌环网),那么IP数据报就直接送到目的主机上。否则,主机把数据报发往一默认的路由器上,由路由器来转发该数据报。大多数的主机都是采用这种简单机制。

在本节和第9章中,我们将讨论更一般的情况,即IP层既可以配置成路由器的功能,也可以配置成主机的功能。当今的大多数多用户系统,包括几乎所有的Unix系统,都可以配置成一个路由器。我们可以为它指定主机和路由器都可以使用的简单路由算法。本质上的区别在于主机从不把数据报从一个接口转发到另一个接口,而路由器则要转发数据报。内含路由器功能的主机应该从不转发数据报,除非它被设置成那样。在9.4小节中,我们将进一步讨论配置的有关问题。

在一般的体制中,IP可以从TCP、UDP、ICMP和IGMP接收数据报(即在本地生成的数据报)并进行发送,或者从一个网络接口接收数据报(待转发的数据报)并进行发送。IP层在内存中有一个路由表。当收到一份数据报并进行发送时,它都要对该表搜索一次。当数据报来自某个网络接口时,IP首先检查目的IP地址是否为本机的IP地址之一或者IP广播地址。如果确实是这样,数据报就被送到由IP首部协议字段所指定的协议模块进行处理。如果数据报的目的不是这些地址,那么(1)如果IP层被设置为路由器的功能,那么就对数据报进行转发(也就是说,像下面对待发出的数据报一样处理);否则(2)数据报被丢弃




路由表中的每一项都包含下面这些信息:

  • 目的IP地址。它既可以是一个完整的主机地址,也可以是一个网络地址,由该表目中的标志字段来指定(如下所述)。主机地址有一个非0的主机号(见图1-5),以指定某一特定的主机,而网络地址中的主机号为0,以指定网络中的所有主机(如以太网,令牌环网)。
  • 下一站(或下一跳)路由器(next-hop router)的IP地址,或者有直接连接的网络IP地址。下一站路由器是指一个在直接相连网络上的路由器,通过它可以转发数据报。下一站路由器不是最终的目的,但是它可以把传送给它的数据报转发到最终目的。
  • 标志。其中一个标志指明目的IP地址是网络地址还是主机地址,另一个标志指明下一站路由器是否为真正的下一站路由器,还是一个直接相连的接口(我们将在9.2节中详细介绍这些标志)。
  • 为数据报的传输指定一个网络接口。

IP路由选择是逐跳地(hop-by-hop)进行的。从这个路由表信息可以看出,IP并不知道到达任何目的的完整路径(当然,除了那些与主机直接相连的目的)。所有的IP路由选择只为数据报传输提供下一站路由器的IP地址。它假定下一站路由器比发送数据报的主机更接近目的,而且下一站路由器与该主机是直接相连的。

IP路由选择主要完成以下这些功能:

  • 搜索路由表,寻找能与目的IP地址完全匹配的表目(网络号和主机号都要匹配)。如果找到,则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口(取决于标志字段的值)。
  • 搜索路由表,寻找能与目的网络号相匹配的表目。如果找到,则把报文发送给该表目指定的下一站路由器或直接连接的网络接口(取决于标志字段的值)。目的网络上的所有主机都可以通过这个表目来处置。例如,一个以太网上的所有主机都是通过这种表目进行寻径的。这种搜索网络的匹配方法必须考虑可能的子网掩码。关于这一点我们在下一节中进行讨论。
  • 搜索路由表,寻找标为“默认(default)”的表目。如果找到,则把报文发送给该表目指定的下一站路由器。如果上面这些步骤都没有成功,那么该数据报就不能被传送。

如果不能传送的数据报来自本机,那么一般会向生成数据报的应用程序返回一个“主机不可达”或“网络不可达”的错误。

完整主机地址匹配在网络号匹配之前执行。只有当它们都失败后才选择默认路由。默认路由,以及下一站路由器发送的ICMP间接报文(如果我们为数据报选择了错误的默认路由),是IP路由选择机制中功能强大的特性。我们在第9章对它们进行讨论。

为一个网络指定一个路由器,而不必为每个主机指定一个路由器,这是IP路由选择机制的另一个基本特性。这样做可以极大地缩小路由表的规模,比如Internet上的路由器有只有几千个表目,而不会是超过100万个表目。




3.11 小结

本章开始描述了IP首部的格式,并简要讨论了首部中的各个字段。我们还介绍了IP路由选择,并指出主机的路由选择可以非常简单:如果目的主机在直接相连的网络上,那么就把数据报直接传给目的主机,否则传给默认路由器。

在进行路由选择决策时,主机和路由器都使用路由表。在表中有三种类型的路由:特定主机型、特定网络型和默认路由型。路由表中的表目具有一定的优先级。在选择路由时,主机路由优先于网络路由,最后在没有其他可选路由存在时才选择默认路由。

IP路由选择是通过逐跳来实现的。数据报在各站的传输过程中目的IP地址始终不变,但是封装和目的链路层地址在每一站都可以改变。大多数的主机和许多路由器对于非本地网络的数据报都使用默认的下一站路由器。

A类和B类地址一般都要进行子网划分。用于子网号的比特数通过子网掩码来指定。我们为此举了一个实例来详细说明,即作者所在的子网,并介绍了变长子网的概念。子网的划分缩小了Internet路由表的规模,因为许多网络经常可以通过单个表目就可以访问了。接口和网络的有关信息通过ifconfig和netstat命令可以获得,包括接口的IP地址、子网掩码、广播地址以及MTU等。

在本章的最后,我们对Internet协议族潜在的改进建议——下一代IP进行了讨论。













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