第 3 章网际协议 IP

第3章网际协议IP 主讲人：刘正华

理解IP协议的概念、作用以及在TCP/IP协议栈中的位置理解IP协议的概念、作用以及在TCP/IP协议栈中的位置 1 掌握IP数据报的格式与IP报头各个字段的定义 2 掌握IP报头各种选项类型的作用 3 4 熟悉IPv6的相关概念本章学习目标

3.1 IP数据报 • 在IP层的分组叫数据报。IP协议接收上层协议传输过来的数据报，加入IP报头，组成一个IP数据报，并且传输该报文到达目的主机。

IP数据报的一般格式 • IP数据报由报头和数据两个部分组成，数据报的总长度限制在65535个字节以内，其中，报头的长度为20～60字节，因不同Option的运用而不同，剩下的部分是来自上层的数据。

3.2 IP报头 • IP报头是IP数据报的核心。

IP报头的基本格式 • IP报头的长度是20～60字节，若不含有Option，则IP报头的基本长度是20字节。 “Option”字段不是绝对需要的，主要用于测试与安全方面。“Padding”是位填补字段，配合Option一起使用

IP报头各个字段的内容 Version：版本号指IP模块使用的IP协议的版本，字段长度是4Bits。目前IP协议有IPv4和IPv6两种版本，IPv4的VER值为4，IPv6的VER值为6。 IHL：IP报头长度是IP报头的长度，该字段长度是4 Bits。IHL以4个字节为计算单位。

IP报头各个字段的内容 Service Type：服务类型表示数据报在网络中传输的处理方式，字段长度是8 Bits，包含3位优先等级位（precedence）以及4位的服务类型参数（TOS：type of service）和1位保留位。

IP报头各个字段的内容 Total Length：数据报总长度指数据报的总长度，包括报头和数据，以字节为计算单位。该字段的长度是16 Bits，所以最大值是216-1即65535个字节。 Identification：数据报标识是由源主机指定的数据报标识码，用于将分割后的小数据报重组成原始数据报。该字段的长度是16 Bits，因此可以标识65535个不同的数据报。同ID的数据报放在重组表的同一区，再按分割偏移值重组属于同一个流的数据报。

IP报头各个字段的内容 Flags：标志分割控制标志，长度为3 Bits。最高位是预留位，其值必须为0。第二位是“不分割（DF）”标志位，为0则表示可分割，为1则表示不分割；第三位是“更多分割（MF）”标志位，为0则表示这是最后一个数据报，为1则表示后面还有数据报。

IP报头各个字段的内容 Fragment Offset：分割偏移表示分割后的数据报在原始数据报中的位置，以8个字节为计算单位，第一个数据报的偏移是0。 Time to Live：存活时间表示数据报在IP网络中能够存在的最长时间，字段长度是8 Bits，所以TTL的最大值为28-1即255秒。其值由源主机设定的，通常设为传输过程中可能经过的路由器数量的两倍。

IP报头各个字段的内容 Protocol：协议表示IP协议的上一层协议，字段长度为8 Bits。各种高层协议都有对应的Protocol值。

IP报头各个字段的内容 • Header Checksum：报头校验和报头校验和字段长度为16 Bits，用于数据报传输过程中的错误检测。 • Padding：位填补位填补字段的长度是可变的。当IP报头的长度不是4个字节的倍数时，就利用Padding在报头最后面填入一连串的0，直到报头的长度成为4个字节的倍数。

IP报头各个字段的内容 • Source Address：源地址源地址字段长度为32 Bits，表示发送数据报的主机的IP地址。 • Destination Address：目的地址目的地址字段长度为32 Bits，表示接收数据报的目的主机的IP地址。

3.3 IP选项 • IP选项不是必须的，但是选项在网络的测试和纠错，以及数据传输的安全防护方面有重要的作用。 • 每个IP模块都必须具备处理选项的功能，不同种类的选项具有不同的作用，并不要求每个IP都支持所有的选项。

IP选项的一般格式 • IP选项的格式如下图所示，包括：一个字节的代码（Code）字段，一个字节的长度（Length）字段，以及一个长度可变的数据（Data）字段。 • 代码字段表示选项的作用、类型以及是否被复制。 • 长度字段表示选项的总长度。 • 数据字段表示选项的信息，例如偏移量、指针、长度、地址等数据。

IP选项的类型 • End of Option List（EOL）：选项结束 EOL是1字节选项，用于提示这是最后一个选项，必须放在所有选项的后面。 • No Operation（NOP）：无操作 NOP也是1字节选项，用于选项之间的边界对正

IP选项的类型 • Record Route（RR）：记录路由用于记录数据报在Internet中传送的路由。该选项的长度是可变的，分割时不需复制，仅保留在第一个数据报中。格式如下图所示。路由记录数据字段在IP模块送出数据报之前是空的，指针字段的初值是4，指向第一个空字段。

IP选项的类型 • 每经过一个路由器，指针值将与长度值比较。如果指针值不大于长度值，路由器就在指针指向的空字段填入其出口IP地址，并将指针值加4，然后再将数据报转发出去。运用了RR选项的数据报传送过程如下。

IP选项的类型 • Strict Source and Record Route（SSRR）：严格的源路由用于源主机预先指定数据报在Internet中传送的路由并且记录传送过程中经过的路由。该选项的长度是可变的，分割时必须复制。格式如下图所示。

IP选项的类型 • SSRR是一种严格的路由策略，它要求源主机送出的数据报必须经过路由数据字段指定的所有路由器，到达最后一个指定地址（最终目的地址）。如果数据报经过的路由器地址不是SSRR在路由数据字段中指定的IP地址，则此数据报将被丢弃。经过的路由器的出口地址必须记录在路由数据字段。

IP选项的类型 • 每经过一个指定的路由器，指针值将与长度值比较。如果指针值不大于长度值，路由器将在指针指向的位置填入其出口IP地址，覆盖掉原来的指定地址，成为记录地址。同时，路由器将下一个指定地址覆盖掉IP报头的目的地址，并把指针值加4，然后再把数据报转发出去。

IP选项的类型 • 运用了RR选项的数据报传送过程如下。

IP选项的类型 • Loose Source and Record Route（LSRR）：宽松的源路由 LSRR也可以用于源主机预先指定数据报的传送路由并且记录传送过程中经过的路由。格式如下图所示。 LSRR是一种宽松的路由策略，对传送路由的要求不及SSRR严格。LSRR允许数据报经过任何非指定的路由器，这是与SSRR最大的区别

IP选项的类型 • 运用LSRR选项的数据报的传送过程与SSRR的情况类似，惟一的区别就是，如果数据报经过的路由器地址不是LSRR在路由数据字段中指定的IP地址，则指针值将维持不变，字段中的数据也维持不变，数据报将继续往前传送。

IP选项的类型 运用了RR选项的数据报传送过程如下。

IP选项的类型 • Timestamp（TS）：时间戳用于记录路由器处理数据报的时间。该选项的长度是可变的，分割时不需复制，仅存在于第一个数据报中。TS选项的格式如下图所示。

3.4 IPv6：网际协议第6版 • IPv6被称为网际协议第6版或IPng（下一代IP），是基于IPv4的最新版本，其设计宗旨主要是扩展IP地址空间，使IP协议使用起来更加简单，操作更加高效。

IPv6的优点 • 更大的地址空间。 • 简化的报头格式。 • 增加新的选项。 • 具有可扩充性。 • 支持资源分配。 • 支持更多的安全性。

IPv6的地址 • IPv6采用128位地址，采用十六进制冒号记法（Colon Hexadecimal Notation），共分为8段，每段为2个字节长，每段中间用冒号隔开。比如： 69AB ：FE47 ：3258 ：4A33 ：ACEF ：8901 ：7256 ：B5D3 • 如果几个连续的字段为0，则可用两个冒号来代替该字段（零压缩，Zero Compression），比如以上地址可以进一步简写为： 69AB ：FE47 ：58 ：：7256 ：B5D3

IPv6数据报格式 • IPv6数据报由两部分组成：报头和有效负荷。 • 报头的长度是40个字节；有效负荷包括两部分：可选的扩展报头和从上层来的数据，总长度不超过65535字节。

IPv6报头的格式 IPv6的报头格式如下图所示。

小结 • 网际协议（IP）是TCP/IP协议栈使用的传输机制，用于网络层的寻址和主机间数据报的传送。TCP/IP协议栈中的所有协议和应用都运行于IP之上。IP是一种不可靠的、无连接的数据报传输协议，必须与高层协议配合使用。 • 在IP层的分组叫数据报。IP数据报由报头和数据两个部分组成。IP报头是IP数据报的核心，基本长度是20个字节（不含选项），包括版本、报头长度、服务类型、数据报总长度、数据报标识、标志、分割偏移、存活时间、协议、报头校验和、源地址和目的地址。

小结 • 如果加上选项，则IP报头的最长长度是60个字节。选项不是必须的，但是选项在网络的测试和纠错，以及数据传输的安全防护方面有重要的作用。主要有6种选项类型。 • IPv6是网际协议的最新版本，它使用128位地址，扩展了IP地址空间，简化了数据报报头格式，增加了新的选项，使IP协议使用起来更加简单，操作更加高效

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