IP

1. I P是T C P / I P協議族中最為核心的協議。所有的 T C P、U D P、I C M P及I G M P數據都以I P數據報格式傳輸。
   

   不可靠（ u n r e l i a b l e）的意思是它不能保證 I P數據報能成功地到達目的地。 I P僅提供最好的傳輸服務。如果發生某種錯誤時，如某個路由器暫時用完了緩沖區， I P有一個簡單的錯誤處理算法：丟棄該數據報，然後發送 I C M P消息報給信源端。任何要求的可靠性必須由上層來提供（如T C P）。
   無連接（ c o n n e c t i o n l e s s）這個術語的意思是 I P並不維護任何關於後續數據報的狀態信息。每個數據報的處理是相互獨立的。這也說明， I P數據報可以不按發送順序接收。如果一信源向相同的信宿發送兩個連續的數據報（先是 A，然後是B），每個數據報都是獨立地進行路由選擇，可能選擇不同的路線，因此 B可能在A到達之前先到達。
   在這裏，簡要介紹 I P首部中的各個字段，討論 I P路由選擇和子網的有關內容。還要介紹兩個有用的命令： i f c o n f i g和n e t s t a t。

2.IP首部

4個字節的32 bit值以下面的次序傳輸：首先是 0?7 bit，其次8?15 bit，然後1 6?23 bit，最後是24~31 bit。這種傳輸次序稱作 big endian字節序。由於 T C P / I P首部中所有的二進制整數在網絡中傳輸時都要求以這種次序，因此它又稱作網絡字節序。以其他形式存儲二進制整數的機器，如 little endian格式，則必須在傳輸數據之前把首部轉換成網絡字節序。
 目前的協議版本號是4，因此I P有時也稱作 I P v 4。
 服務類型(TOS)字段，4bit的TOS分別代表：最小時延、最大吞吐量、最高可靠性和最小費用。4 bit中只能置其中1 bit。如果所有4 bit均為0，那麽就意味著是一般服務。
 

路由協議如 O S P F和I S - I S都能根據這些字段的值進行路由決策。
T T L（t i m e - t o - l i v e）生存時間字段設置了數據報可以經過的最多路由器數。它指定了數據報的生存時間。T T L的初始值由源主機設置（通常為3 2或6 4），一旦經過一個處理它的路由器，它的值就減去1。當該字段的值為 0時，數據報就被丟棄，並發送 I C M P報文通知源主機。
每一份 I P數據報都包含源 I P地址和目的 I P地址。它們都是 32 bit的值。

3.IP路由選擇
從概念上說， I P路由選擇是簡單的，特別對於主機來說。如果目的主機與源主機直接相連（如點對點鏈路）或都在一個共享網絡上（以太網或令牌環網），那麽I P數據報就直接送到目的主機上。否則，主機把數據報發往一默認的路由器上，由路由器來轉發該數據報。大多數的主機都是采用這種簡單機制。
路由表中的每一項都包含下面這些信息：
目的I P地址。它既可以是一個完整的主機地址，也可以是一個網絡地址，由該表目中的標誌字段來指定（如下所述）。主機地址有一個非0的主機號，以指定某一特定的主機，而網絡地址中的主機號為0，以指定網絡中的所有主機（如以太網，令牌環網）。
下一站（或下一跳）路由器（ next-hop router）的I P地址，或者有直接連接的網絡 I P地址。下一站路由器是指一個在直接相連網絡上的路由器，通過它可以轉發數據報。下一站路由器不是最終的目的，但是它可以把傳送給它的數據報轉發到最終目的。
標誌。其中一個標誌指明目的 I P地址是網絡地址還是主機地址，另一個標誌指明下一站路由器是否為真正的下一站路由器，還是一個直接相連的接口。
為數據報的傳輸指定一個網絡接口。

I P路由選擇是逐跳地（ h o p - b y - h o p）進行的。I P並不知道到達任何目的的完整路徑（當然，除了那些與主機直接相連的目的）。所有的I P路由選擇只為數據報傳輸提供下一站路由器的 I P地址。它假定下一站路由器比發送數據報的主機更接近目的，而且下一站路由器與該主機是直接相連的。
 
I P路由選擇主要完成以下這些功能：
1)  搜索路由表，尋找能與目的 I P地址完全匹配的表目（網絡號和主機號都要匹配）。如果找到，則把報文發送給該表目指定的下一站路由器或直接連接的網絡接口（取決於標誌字段的值）。
2)搜索路由表，尋找能與目的網絡號相匹配的表目。如果找到，則把報文發送給該表目指定的下一站路由器或直接連接的網絡接口（取決於標誌字段的值）。目的網絡上的所有主機都可以通過這個表目來處置。例如，一個以太網上的所有主機都是通過這種表目進行尋徑的。
這種搜索網絡的匹配方法必須考慮可能的子網掩碼。
3)搜索路由表，尋找標為“默認（ d e f a u l t）”的表目。如果找到，則把報文發送給該表目指定的下一站路由器。
如果上面這些步驟都沒有成功，那麽該數據報就不能被傳送。如果不能傳送的數據報來自本機，那麽一般會向生成數據報的應用程序返回一個“主機不可達”或“網絡不可達”的錯誤。
完整主機地址匹配在網絡號匹配之前執行。只有當它們都失敗後才選擇默認路由。默認路由，以及下一站路由器發送的 I C M P間接報文（如果我們為數據報選擇了錯誤的默認路由），是I P路由選擇機制中功能強大的特性。
為一個網絡指定一個路由器，而不必為每個主機指定一個路由器，這是 I P路由選擇機制的另一個基本特性。這樣做可以極大地縮小路由表的規模.
一個簡單的例子：我們的主機 b s d i有一個I P數據報要發送給主機 s u n。雙方都在同一個以太網上.數據報的傳輸過程如圖.

I P從某個上層收到這份數據報後，它搜索路由表，發現目的 I P地址（1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3）在一個直接相連的網絡上（以太網 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 0）。於是，在表中找到匹配網絡地址（在下一節中，我們將看到，由於以太網的子網掩碼的存在，實際的網絡地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 2，但是這並不影響這裏所討論的路由選擇）。
數據報被送到以太網驅動程序，然後作為一個以太網數據幀被送到 s u n主機上.I P數據報中的目的地址是s u n的I P地址（ 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 3），而在鏈路層首部中的目的地址是 48 bit的s u n主機的以太網接口地址。這個 48 bit的以太目的

網地址是用 A R P協議獲得的.

另一個例子：主機 b s d i有一份I P數據報要傳到 f t p . u u . n e t主機上，它的I P地址是1 9 2 . 4 8 . 9 6 . 9。經過的前三個路由器如圖 3 - 4所示。首先，主機b s d i搜索路由表，但是沒有找到與主機地址或網絡地址相匹配的表目，因此只能用默認的表目，把數據報傳給下一站路由器，即主機 s u n。當數據報從 b s d i被傳到 s u n主機上以後，目的 I P地址是最終的信宿機地址（1 9 2 . 4 8 . 9 6 . 9），但是鏈路層地址卻是 s u n主機的以太網接口地址。這與圖 3 - 3不同，在那裏數據報中的目的I P地址和目的鏈路層地址都指的是相同的主機（ s u n）。

當s u n收到數據報後，它發現數據報的目的 I P地址並不是本機的任一地址，而 s u n已被設置成具有路由器的功能，因此它把數據報進行轉發。經過搜索路由表，選用了默認表目。根據s u n的默認表目，它把數據報轉發到下一站路由器 n e t b，該路由器的地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1 8 3。數據報是經過點對點 S L I P鏈路被傳送的，采用了最小封裝格式。這裏，我們沒有給出像以太網鏈路層數據幀那樣的首部，因為在 S L I P鏈路中沒有那樣的首部。
當n e t b收到數據報後，它執行與s u n主機相同的步驟：數據報的目的地址不是本機地址，而n e t b也被設置成具有路由器的功能，於是它也對該數據報進行轉發。采用的也是默認路由表目，把數據報送到下一站路由器 g a t e w a y（1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 4）。位於以太網 1 4 0 . 2 5 2 . 1上的主機n e t b用A R P獲得對應於 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 4的48 bit以太網地址。這個以太網地址就是鏈路層數據幀頭

上的目的地址。
路由器g a t e w a y也執行與前面兩個路由器相同的步驟。它的默認路由表目所指定的下一站路由器 I P地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 0 4 . 2。
一些關鍵點：
1) 該例子中的所有主機和路由器都使用了默認路由。事實上，大多數主機和一些路由器可以用默認路由來處理任何目的，除非它在本地局域網上。
2) 數據報中的目的I P地址始終不發生任何變化。所有的路由選擇決策都是基於這個目的I P地址。
3) 每個鏈路層可能具有不同的數據幀首部，而且鏈路層的目的地址（如果有的話）始終指的是下一站的鏈路層地址。在例子中，兩個以太網封裝了含有下一站以太網地址的鏈路層首部，但是 S L I P鏈路沒有這樣做。以太網地址一般通過 A R P獲得。

4.子網尋址
現在所有的主機都要求支持子網編址。不是把I P地址看成由單純的一個網絡號和一個主機號組成，而是把主機號再分成一個子網號和一個主機號。
這樣做的原因是因為 A類和B類地址為主機號分配了太多的空間，可分別容納的主機數為22 4-2和21 6-2。事實上，在一個網絡中人們並不安排這麽多的主機。由於全0或全1的主機號都是無效的，因此我們把總數減去 2。
在I n t e r N I C獲得某類I P網絡號後，就由當地的系統管理員來進行分配，由他（或她）來決
定是否建立子網，以及分配多少比特給子網號和主機號。例如，這裏有一個 B類網絡地址（1 4 0 . 2 5 2），在剩下的16 bit中，8 bit用於子網號，8 bit用於主機號，格式如圖 3 - 5所示。這樣就允許有2 5 4個子網，每個子網可以有 2 5 4臺主機。

許多管理員采用自然的劃分方法，即把 B類地址中留給主機的 16 bit中的前8 bit作為子網地址，後 8 b i t作為主機號。這樣用點分十進制方法表示的 I P地址就可以比較容易確定子網號。但是，並不要求A類或B類地址的子網劃分都要以字節為劃分界限。
子網對外部路由器來說隱藏了內部網絡組織（一個校園或公司內部）的細節。在我們的網絡例子中，所有的I P地址都有一個B類網絡號 1 4 0 . 2 5 2。但是其中有超過3 0個子網，多於4 0 0臺主機分布在這些子網中。由一臺路由器提供了 I n t e r n e t的接入

5.子網掩碼
任何主機在引導時進行的部分配置是指定主機 I P地址。大多數系統把 I P地址存在一個磁盤文件裏供引導時讀用。
除了I P地址以外，主機還需要知道有多少比特用於子網號及多少比特用於主機號。這是在引導過程中通過子網掩碼來確定的。這個掩碼是一個 32 bit的值，其中值為1的比特留給網絡號和子網號，為0的比特留給主機號。圖 3 - 7是一個B類地址的兩種不同的子網掩碼格式。第一個例子是 n o a o . e d u網絡采用的子網劃分方法，如圖 3 - 5所示，子網號和主機號都是 8 bit寬。第二個例子是一個B類地址劃分成10 bit的子網號和6 bit的主機號。

盡管I P地址一般以點分十進制方法表示，但是子網掩碼卻經常用十六進制來表示，特別是當界限不是一個字節時，因為子網掩碼是一個比特掩碼。
給定I P地址和子網掩碼以後，主機就可以確定 I P數據報的目的是：
( 1)本子網上的主機；
(2)本網絡中其他子網中的主機；
( 3)其他網絡上的主機。
如果知道本機的 I P地址，那麽就知道它是否為A類、B類或C類地址(從I P地址的高位可以得知)，也就知道網絡號和子網號之間的分界線。而根據子網掩碼就可知道子網號與主機號之間的分界線。

舉例
假設我們的主機地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 1（一個B類地址），而子網掩碼為 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 0（其中8 b i t為子網號，8 bit為主機號）。
? 如果目的I P地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 4 . 5，那麽我們就知道B類網絡號是相同的（ 1 4 0 . 2 5 2），但是子網號是不同的（1和4）。用子網掩碼在兩個I P地址之間的比較如圖3 - 8所示。
? 如果目的 I P地址是1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 2 2，那麽B類網絡號還是一樣的（ 1 4 0 . 2 5 2），而且子網號也是一樣的（1），但是主機號是不同的。
? 如果目的I P地址是 1 9 2 . 4 3 . 2 3 5 . 6（一個C類地址），那麽網絡號是不同的，因而進一步的比較就不用再進行了。

給定兩個I P地址和子網掩碼後，I P路由選擇功能一直進行這樣的比較。

6.特殊情況的IP地址
經過子網劃分的描述，現在介紹 7個特殊的I P地址，如圖3 - 9所示。在這個圖中， 0表示所有的比特位全為0；- 1表示所有的比特位全為1；n e t i d、s u b n e t i d和h o s t i d分別表示不為全0或全1的對應字段。子網號欄為空表示該地址沒有進行子網劃分。

把這個表分成三個部分。表的頭兩項是特殊的源地址，中間項是特殊的環回地址，最後四項是廣播地址。
表中的頭兩項，網絡號為0，如主機使用B O O T P協議確定本機I P地址時只能作為初始化過程中的源地址出現。

7.一個子網的例子

問題是我們在子網 1 3中有兩個分離的網絡：一個以太網和一個點對點鏈路（硬件連接的S L I P鏈路）（點對點鏈接始終會帶來問題，因為它一般在兩端都需要 I P地址）。將來或許會有更多的主機和網絡，但是為了不讓主機跨越不同的網絡就得使用不同的子網號。我們的解決方法是把子網號從 8 bit 擴充到11 b i t，把主機號從 8 bit 減為 5 bit。這就叫作變長子網，因為1 4 0 . 2 5 2網絡中的大多數子網都采用 8 bit子網掩碼，而我們的子網卻采用 11 bit的子網掩碼。
如下圖，11位子網號中的前8 bit始終是1 3。在剩下的3 bit中，我們用二進制 0 0 1表示以太網，0 1 0表示點對點 S L I P鏈路。這個變長子網掩碼在 1 4 0 . 2 5 2網絡中不會給其他主機和路由器帶來問題—只要目的是子網 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3的所有數據報都傳給路由器s u n（I P地址是 1 4 0 . 2 5 2 . 1 . 2 9），如圖 3 - 11所示。如果 s u n知道子網 1 3中的主機有 11 bit子網號，那麽一切都好辦了。

1 4 0 . 2 5 2 . 1 3子網中的所有接口的子網掩碼是 2 5 5 . 2 5 5 . 2 5 5 . 2 2 4，或0 x ffffff e 0。這表明最右邊的5 bit留給主機號，左邊的27 bit留給網絡號和子網號。
第1欄標為是“主機”，但是s u n和b s d i也具有路由器的功能，因為它們是多接口的，可以把分組數據從一個接口轉發到另一個接口。
這個表中的最後一行是圖 3 - 1 0中的廣播地址 1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 6 3：它是根據以太網子網號（1 4 0 . 2 5 2 . 1 3 . 3 2）和圖3 - 11中的低5位置1（1 6＋8＋4＋2＋1＝3 1）得來的。

IP的未來:

I P主要存在三個方面的問題。
1)B類地址枯竭
2)  32 bit的I P地址從長期的I n t e r n e t增長角度來看，是不夠用的。
3)當前的路由結構沒有層次結構，屬於平面型 ( f l a t )結構，每個網絡都需要一個路由表目。

來源: TCP/IP 卷一

03-IP網際協議