IP協議詳解

        本文主要介紹了IP服務特點，頭部結構，IP分片知識，並用tcpdump抓取資料包，來觀察IP資料報傳送過程中IP的格式，以及分片的過程。

IP頭部資訊：IP頭部資訊出現在每個IP資料報中，用於指定IP通訊的源端IP地址、目的端IP地址，指導IP分片和重組。

IP資料報的路由和轉發：IP資料報的路由和轉發發生在出目標機器之外的所有主機和路由器上。他們決定資料報是否應該轉發以及如何轉發。

IP服務的特點

IP協議是TCP/IP協議族的動力，它為上層協議提供無狀態、無連線、不可靠的服務。

無狀態是指IP通訊雙方不同步傳輸資料的狀態資訊，因此所有IP資料報的傳送、傳輸和接收都是相互獨立、沒有上下文關係的。這種服務最大的缺點是無法處理亂序和重複的IP資料報。

無連線是指IP通訊雙方都不長久的維持對方的任何資訊。這樣，上層協議每次傳送資料時，都必須明確指定對方的IP地址。

不可靠是指IP協議不能保證IP資料報準確的達到接收端。

IPv4頭部結構

4位版本號指定IP協議的版本

4位頭部長度表示IP有多少個32bit字（4位元組）

8為服務型別（Type OfService）包括一個3為優先欄位，4位的TOS欄位和1位保留欄位（必須置0）。4位的TOS欄位分別表示：最小延遲，最大吞吐量，最高可靠性和最小費用。其中最多有一個能置為1。

16位總長度是指整個IP資料報的長度，以位元組為單位。由於MTU的限制，長度超過MTU的資料豆漿杯分片傳輸。

16位標識唯一標識主機發送的每一個數據報，同一個資料報的所有分片具有相同標識值。

3位標誌欄位第一位保留，第二位表示“禁止分片”，第三位表示更多分片，除了資料報最後一個分片外，其他分片都要把她置1.

13位分片偏移是分片對原始IP資料報開始出的偏移。

8位生存時間（Time ToLive，TTL）是資料報到達目的地之前允許經過的路由器跳數。每經過一個路由，該值減1.

8位協議用來區分上層協議，其中ICMP是1，TCP是6，UDP是17.

16位頭部校驗和檢驗IP資料頭部在傳輸過程中是否損壞。

32位源端IP地址和目的端IP地址用來標識傳送端和接收端。

使用tcpdump觀察IPv4頭部結構

[email protected]:~$ sudo tcpdump -ntx -i lo

[email protected]:~$ telnet 127.0.0.1

IP 127.0.0.1.47513> 127.0.0.1.23: Flags [.], ack 90, win 342, options [nop,nop,TS val 5091357ecr 5091357], length 0

     0x0000: 4510 0034 52b6 4000 4006 e9fb 7f00 0001

     0x0010: 7f00 0001 b999 0017 a304 e30f 5c98 cfa6

     0x0020: 8010 0156 fe28 0000 0101 080a 004d b01d

     0x0030: 004d b01d

IPv4頭部各個欄位詳解：

IP分片

當IP資料報的長度超過幀的MTU時，將被分片傳輸。分片可能發生在傳送端，也可能發生在路由器上，而且可能在傳輸過程中被多次分片。但只有在最終目標機器上，這些分片才會被核心中的IP模組重新組裝。

IP頭部中的如下三個欄位給IP的分片和重組提供了足夠的資訊：資料報標識、標誌和片偏移。一個IP資料報的每個分片都具有自己的IP頭部，他們具有相同的標識值，但具有不同的片偏移。並且除了最後一個分片外，其他分片都將設定MF標誌。此外，每個分片的IP頭部的總長度將被設定為該分片的長度

乙太網的MTU（關於MTU概念見http://blog.csdn.net/walkerkalr/article/details/34410937封裝部分）是1500位元組，因此它攜帶的IP資料報的資料部分最多是1480位元組(IP頭部佔用20位元組)。考慮用IP資料報封裝一個長度為1481位元組的ICMP報文（包括8位元組的ICMP，所以其資料部分長度為1473位元組），則該資料報在使用乙太網幀傳輸室必須分片。

需要指出的是，ICMP報文的頭部長度取決於報文型別，下面的例子使用ping程式，而ping程式使用的ICMP回顯與應答報文的頭部長度是8位元組。為了看清楚IP分片的具體過程，考慮從chen123（關於在一臺主機上搭建的測試網路見http://blog.csdn.net/walkerkalr/article/details/34420041）來ping機器li123，每次傳送1473個位元組以強制引起IP分片，並用tcpdump抓取這一過程中雙方的資料報。具體操作如下：

[email protected]:~$sudo tcpdump -ntv -i eth0 icmp #只抓取ICMP包

[email protected]:~$ping 192.168.73.130 -s 1473 #用-s選項指定每次傳送1473位元組的資料

如下是在敲入tcpdump命令終端上的輸出：

1. IP(tos 0x0, ttl 64, id 21061, offset 0, flags [+], proto ICMP (1), length 1500)

   192.168.73.130 > 192.168.73.129: ICMPecho reply, id 4311, seq 11, length 1480

2. IP(tos 0x0, ttl 64, id 21061, offset 1480, flags [none], proto ICMP (1), length21)

   192.168.73.130 > 192.168.73.129:ip-proto-1

這兩個IP的表示值都是21061，說明它們是同一個IP資料報的分片。第一個分片的片偏移是0，第二個是1480。很顯然，第二個分片的片偏移實際上是第一個分片的ICMP報文的長度。第一個分片設定了MF標識表示還有後續分片，所以tcpdump輸出”flags[+]”。而第二個分片則沒有設定任何標識，所以tcpdump輸出“flags[none]”。因為我們傳送1473個位元組，加上8位元組的ICMP頭部長度和20位元組的IP頭部長度，則最終長度1501位元組大於MTU值，需要被分片。也就是,第一個IP分片長度為1500，第二個為21，每個分片都有自己的IP頭部（20位元組）。