IP數(shù)據報的傳遞
1. IP協(xié)議
IP協(xié)議(Internet Protocol,網際協(xié)議)即網間互連協(xié)議。IP協(xié)議是使連接到Internet上的所有計算機實現(xiàn)相互通信的一套約定或應當遵守的規(guī)則。這套規(guī)則確保了網間的連接、網間的尋址以及網間的數(shù)據轉發(fā)等功能得以實現(xiàn)。所以,它是網絡層中最重要的協(xié)議.它與TCP協(xié)議一起構成了TCP/IP協(xié)議族的核心.IP協(xié)議在網絡層提供的是無連接的、不可靠的數(shù)據傳輸服務。
何謂無連接的、不可靠的數(shù)據傳輸呢?
在網絡層傳送IP包就好比我們生活中在郵局寄送的平信,每封平信有確定的目的地址,平信在傳送過程中可能走的路徑不同,平信在寄送的途中是沒有保證的;在發(fā)信人與收信人這一對有關聯(lián)的主體之間沒有直接的制約關系(可理解為無連接的),如果平信在傳送途中丟失,郵局是不負責的(可理解為不可靠的)。也就是說,IP包在網絡傳輸中,發(fā)送端的網絡層與接收端的網絡層之間不需要建立北京網站設計連接,發(fā)送端的網絡層也無須關心IP包是否送到接收端的網絡層。
2. IP數(shù)據單元格式
IP協(xié)議的數(shù)據單元也很復雜,如圖4-14所示。IP協(xié)議頭主要由12個域組成,加上傳輸層傳遞下來的數(shù)據單元就構成了網絡層的IP數(shù)據報,也稱之為IP包。 IP協(xié)議頭的構成,每行為32個bit位,其中各域含義解釋如下.版本(Version):指的是IP協(xié)議版本號,目前是4,即指IPv4a頭長度(Internet Header Length,IH L):指的是IF協(xié)議頭長度,以4個B為1個單位,最小值為5,即最小的IP協(xié)議頭有20個字節(jié)(沒有可選項時)。
服務類型(Type of Service,TOS):由8個bit組成,在不同位置的bit設置可代表不同的服務類型.有數(shù)據的優(yōu)先權(現(xiàn)已被忽略)、低時延、高吞吐、高可靠和最小費用等服務類型,否則就意味著是一般服務。
總長度(Total Length, TL):指整個IF包的長度,以B為單位。利用協(xié)議頭長度和總長度,就可以知道IF包中數(shù)據的起始位置和長度。
標識(Identification):標識主機發(fā)送的每一份IF包的編碼(ID),占16位.通常每發(fā)送一份IP包它的值就會加1。
IF包是在網絡層傳輸?shù)臄?shù)據單元,而不同網絡類型在鏈路層都具有最大傳輸單元(MTU)限制這一特性,如以太網的MTU是1500B,這個1500B就是網絡層IP協(xié)議數(shù)據單元的最大值。如果IP包總長度超過了MTU,那么網絡層就要對IF包進行分片,使每一報片的長度小于或等于MTU。此時這16位的標識在IF包分片后將被復制到每一報片中。在接收端,數(shù)據報片的重組依據就是這個ID標識。
R:保留未用。
DF(Don't Fragment) : IP包不分片標志,占1bit。值為1時表示網絡層將不對IP包進行分片。
MF(More Fragment):報片標志。值為0表示當前數(shù)據報是最后一片;值為1表示非最后一報片,后續(xù)還有其他報片。
片偏移(Fragment Offset, FO):該報片偏移原始數(shù)據報開始處的位置.偏移的字節(jié)數(shù)是該偏移值乘以8。
另外,當IP包被分片后,每個報片的總長度值要改為該片的長度值。接收端收到最后一個報片,從它的長度和片偏移計算出數(shù)據報總長度,再與所有到達的報片長度和比較,依此來判斷報片的完整性,然后進行重組。
生存時間(Time To Live, TTL):設置了IP包可以經過的最多路由器個數(shù)(有關TTL的單位請參考第11章問題4-5的解釋)。TTL的初始值由源主機設置,經過一個路由器,它的值就減1。當該域的值為0時,IP包就被路由器丟棄,并發(fā)送ICMP報文通知源主機。
協(xié)議(Protocol, PROT):指出上層的協(xié)議類型。具體指的是TCP或UDP的協(xié)議編碼。
頭校驗和(Header checksum):是根據IP協(xié)議頭計算的“校驗和”碼。如果“校驗和”有誤就丟棄IP包,但是不生成差錯報文。重傳控制將由傳輸層控制來發(fā)現(xiàn)被丟棄的數(shù)據報并進行重傳。
源IP地址:每個Ip包都必須包含發(fā)送端的源IP地址,是一個32bit的值。
目的IP地址:每個IP包也都需要包含接收端的IP地址,也是一個32bit的值。
可選字段(Options):一個可變長的選項,用于安全、調試等,也為以后擴展或升級之用(該字段的應用請參見第11章問題4-6解釋)。
填充(Padding):在必要時插人一定的填充字節(jié),以確保IP協(xié)議頭始終是32bit的整數(shù)倍。
數(shù)據:是傳輸層提交下來的協(xié)議數(shù)據單元。
從IP包的協(xié)議頭可知,IP協(xié)議頭的大小有兩種:當沒有“選項”這個域時,為160位即20個字節(jié);當有“選項”域時,為192位即24個字節(jié)。
3. IP協(xié)議的工作原理
IP是怎樣實現(xiàn)網絡互聯(lián)的?
早期各公司的網絡系統(tǒng)不能互通,也不能互連。原因是它們在各自網絡中所傳送的數(shù)據基本單元(即數(shù)據幀)的格式不同。有了IP協(xié)議,不同的網絡系統(tǒng)實現(xiàn)了互聯(lián)。可以這樣理解lip協(xié)議就是一套由程序構成的協(xié)議軟件,它把各種不同的“數(shù)據幀”統(tǒng)一轉換成“IP包”格式,實現(xiàn)在互聯(lián)網上的傳送。這種轉換是Internet的一個最重要的特點,它使異種網絡的計算機系統(tǒng)也能在Internet上實現(xiàn)相互通信,也使Internet具有了真正意義上的“開放性”特征。
那么,"IP包"是什么?
由IP數(shù)據單元格式的構成可見,IP包就是一個無連接的,并且是獨立的數(shù)據傳輸單元,它攜帶了數(shù)據來自哪里,以及將要送到哪里等明確的標識(即IP地址)。這樣,IP包在網絡間傳送時,就不需要一定先建立一條數(shù)據通道,而是每個IP包都可經由不同的傳輸路徑獨立地向目的地傳送。
【舉例】如圖4-15所示,IP協(xié)議的基本工作原理分析。當通信兩端(主機A和主機B)位于不同的網絡時,數(shù)據的傳送需要經由路由器跨網傳遞。發(fā)送端A只需將IP包(需要分片時先分片處理)交給第一路由器RI即可。路由器R1根據IP包攜帶的目的標識,進行路徑選擇并轉發(fā)給下一路由器(R2或R3).下一路由器再轉發(fā)到其下一路由器R4,路由器R4最后將IP包傳送到目的主機。在目的主機B端,收到IP包后進行協(xié)議頭校驗和檢驗,將檢驗失敗的IP包.直接丟棄(不會向發(fā)送端回送任何差錯報文);將校驗無誤的IP包提取數(shù)據報數(shù)據直接交給上層傳輸層。
由此可見,在網絡層IP包的傳送不僅是無連接的,而且目的端IP包的到達是無序的,并且是不可靠的。
4.網絡層其他協(xié)議
在網絡層,除了非常重要的IP協(xié)議之外,還有兩個比較重要的協(xié)議在此簡單介紹如下。
1)ICMP協(xié)議
ICMP(Internet Control Message Protocollnternet,網際控制消息協(xié)議)是TCP/IP協(xié)議族的一個子協(xié)議,主要用于在主機、路由器之間傳遞控制信息。這些控制消息是指網絡本身的消息,如網絡是否通暢、主機是否可達、路由是否可用、IP包路由傳送已超過“生存時間”等,還包括報告錯誤、交換受限等控制和狀態(tài)信息.這些控制消息雖然并不傳輸用戶數(shù)據,但是對于用戶數(shù)據的傳遞起著重要的作用。
在網絡應用中,我們經常會得到ICMP提供的消息,只不過常常被忽略了而已。如某主機處于關閉或維護狀態(tài),不提供網絡服務時,ICMP就可以對發(fā)起的TCP連接給出一個終止(Destination Unreachable)通告,告知主機不可達。又如我們在檢查網絡是否通暢時,常常使用ping命令,這個命令就是一項基于ICMP協(xié)議的應用,ping命令返回的信息均是由ICMP協(xié)議提供的報告。
2) ARP協(xié)議
ARP(Address Resolution Protocol,地址解析協(xié)議)用于通過主機的網絡地址(即32位的IP地址)解析出該主機的物理地址(即48位的MAC地址)。
在Internet網中,網絡層之下是網絡訪問層,其對應于局域網的數(shù)據鏈路層和物理層。在數(shù)據鏈路層中,數(shù)據通信是以“數(shù)據幀”為傳輸單位,而“數(shù)據幀”的尋址方式是依據通信兩端點的MAC地址來實現(xiàn)的。因此,網絡層的IP包進人網絡訪問層后,下一步的傳輸必須要知道下一鏈接點或目的節(jié)點的物理地址即MAC地址。如何找到下一鏈接點或目的節(jié)點的MAC地址,就是由ARP協(xié)議實現(xiàn)的。
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