7第四章第二部分--IP层协议

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IP 选项

分组头中 IP 选项字段是任选的； IP 选项主要用于网络控制和测试

源选路（source route）选项； 路由记录（record route）选项； 时间戳（time stamp）选项； ……

IP 选项需要由通路上的每一个路由器来处理； 实际应用中， IP 选项很少使用。

源地址：分别指出发出分组的主机的 IP 地址； 目的地址：该分组的目的主机的 IP 地址； 分组头的校验和（2 byte）：

用来保护 IP 分组头 的完整性； 校验和的计算和检验算法：对分组头按照 16bits整数序列，对 每个整数分别计算其二进制反码，然后相加，再对结果计算 一次二进制反码，即得到校验和。

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片的重组



分片后，每一个部分都作为独立的IP分组，独立地被继续 传送到目的地，这个过程中还可能被其它路由器再次分片； 所有的路由器都不会进行重组,因为重组需要路由器对分片 进行存储和处理，这将降低路由器的转发能力，在目的端 的重组可以大大简化中间路由器的实现； 由于 IP 分组被分片后，各片以独立方式传送，到达目的结 点的顺序是无法保证的，因此重组的过程中必须利用各片 的偏移值来恢复原有分组的顺序信息； TCP/IP 对分组的分片和重组时网络操作系统的内部功能， 对应用软件是透明的；但是， TCP/IP 也提供了一些手段 （如利用 FLAGS 字段中的某些位），使高层软件能够控制 到网络操作系统的某些分片功能。

对分组进行分片的地点：


在分组的传输通路上，分片操作只能出现在两个 MTU 不同的网络的 交界处，也就是出现在路由器上； 进入一个新网络时，若新网络的 MTU 小于原有网络的 MTU，则可 能需要进行分片；若新 MTU 值不小于原有 MTU 就不必进行分片。
A
MTU=1500
以太网 分片 R1
MTU=620



ICMP协议中又逐渐添加了拥塞控制、路由控制等功能。 ICMP还提供一种双向的交互机制，网络节点可以用“请 求+应答”的形式来获取网络中的某些有用的信息 , 以便 21 进行故障诊断和网络控制。
ICMP 协议

ICMP 的功能

差错报告(路由器发现传输错误时向信源主机发送差错报告，信源主机 采取相应的差错处理措施。)
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ICMP 协议

网际网控制报文协议 ( Internet Control Message Protocol) 最初设计的 ICMP 协议主要用于差错的报告：

在IP网络中，各路由器独立完成分组的选路和传输，不需要信源 主机参与； 出现传输错误时，IP 协议内部没有机制来获取差错信息，并进行 相应的控制； ICMP的设计使路由器发现传输错误时，可以通过 ICMP 协议向 信源主机发送差错报告，由信源主机采取相应的差错处理措施。
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IP 分组传输

IP 分组需要通过物理网络的帧来进行传输； 封装（Encapsulation）—— 将 IP 分组映射到物理帧中的方式

能够适应各种不同物理帧的格式 保证数据封装的效率
IP 头 帧头


IP 数据区
帧数据区
最大传输单元（MTU - maximum transfer unit）
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IP 层的特点

IP 层的特点

IP 层属于通信子网，位于通信子网的最高层。 提供无连接的分组传输：简单、不能保证传输的可靠性。 IP 协议是点到点的：对等 IP 层实体间的通信不经过其它节点。

对高层来说，IP 层隔离了各种物理网络的差异。
IP 分组
IP 层 以太网 令牌环 ATM ……
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IP 层的差错处理与控制功能
ICMP 协议
Байду номын сангаас
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IP 层的差错处理与控制功能

IP层对应于ISO七层模型中的网络层，相对来说， IP 层控制功能最为复杂，它所提供的主要控制功
能包括：

差错控制 拥塞控制 路由控制

控制功能的实现包括信息收集和控制两部分。

IP层控制功能的实现依赖于 ICMP 协议。
IP 头
片头
数据 1（600） ID MF FO Len = = = = 100 1 0 620
片头
数据 2（600） ID MF FO Len = = = = 100 1 600 620
片头 数据3 (200) ID = 100 MF = 0 FO = 1200 15 Len = 220
分组的分片传输
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ICMP 差错报告




目的地址不可达 TYPE = 3 差错报告是单方向的：路由器 -> 信源主机 分组超时 TYPE = 11 1B 1B 2B 4B 分组参数错 TYPE = 12 出错分组的 IP 头 未用 类型 代码 校验和 全 0 3 0~12 ICMP 差错报告的能力是有限的 + 前 64 位的数据 1B 1B 2B 4B ICMP 实现网络中诊断信息的交换，并不能提高 IP 分组 出错分组的 IP 头 未用 类型 代码 校验和 0：网络不可达 1：主机不可达 全 0 11 0~1 2：协议不可达 传输的可靠性，仅仅是报告了网络的问题。 + 64 位的数据 前 3：端口不可达 1B 1B 2B 1B 3B 4：分片失败 5：源选路失败 ICMP 提供差错报告的功能，但并没有严格规定对于某种 6 0：目的网络未知 ：TTL 超时 IP 头 未用 出错分组的 类型 代码 7：目的主机未知 校验和 指针 差错应该采取何种差错处理措施。 1：分片重组超时 全 0 12 0~1 + 前 64 位的数据 …… 路由器并不能发现所有的传输错误。
各种物理网络技术都限制了一个物理帧的大小，这个限值被称为最大 传输单元，不同物理网络技术的 MTU 不同。 对于一个网络而言，其 MTU 值是由其采用的物理技术决定的，而且 通常保持不变。
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IP 分组传输


一条传输通路可能由若干 MTU 不等的网段构成。在这样 的通路上进行传输时，如果不对 IP 分组进行分割，为了 实现分组的封装，则必须依照通路中 MTU 的最小值来确 定 IP 分组的大小。这将浪费通路中 MTU 较大的网络的 传输能力，也不符合 TCP/IP 对高层隐藏底层网络技术的 设计思想（高层软件需要根据底层网络的 MTU 来指定 IP 分组的大小）。 TCP/IP 采用的机制是：高层软件在确定 IP 分组大小时不 需要考虑底层网络的 MTU 等细节。当需要在 MTU 较小 的网络上传送较大的 IP 分组时，将会把 IP 分组分割成若 干较小的部分进行传输。这样，既可以适应网络互连时 各种不同的帧结构，同时达到比较理想的传输效率。
B
不需分 片
以太网
MTU=1500
R2
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片的重组

片重组（reassembly）是分片的逆过程； 所有的片重组操作都在目的主机上进行；

重组过程
当目的主机收到 MF=1 的分片时，首先将其进行缓存； 以太网 当收到 MF=0 的分片时，计算原始 IP 分组的长度： A B 以太网 重组 原始分组长 = 本分片的偏移 + 本分片的数据长度 利用原始分组长度检查是否收到全部分片；若是，则按照各片的偏移 分片 MTU=1500 MTU=1500 值重新组装成 IP 分组，提交给高层软件；否则将等待，直到收到该分 组的全部分片； MTU=620 为了防止无限等待，在接收端设臵重组定时器；当接收到分组的第一 R2 R1 片时启动该定时器，如果在指定的时间内未能完成分组重组，将放弃 整个重组、释放资源。

控制(包括拥塞控制和路由控制等)
信息询问（请求/回答方式,故障诊断和网络控制）


ICMP 协议的封装 ICMP 的功能属于 IP 层
ICMP 头 IP 头 ICMP 数据区 IP 数据区
PROTOCOL = 1 (ICMP) ICMP 报文 IP 分组
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ICMP 协议

ICMP 的报告和控制信息都装载在一个 ICMP 的报文中， 在不同的网络节点之间传递； ICMP 报文也分为 ICMP 头和 ICMP 数据区两部分； ICMP 报文的传输依赖于 IP 协议的分组传输功能，即 ICMP 报文被封装在 IP 分组中传输。封装后，IP分组头 中的协议字段将等于 1，代表 ICMP 协议；
1 2
0
优先权 D T R 未用
用户希望的传输类型：
D：低时延 T：高吞吐率 R：高可靠性
分组的优先权：
体现本分组的重要程度（0~7） 0：一般优先权 7：网络控制优先权
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IP 分组头

生存时间（TTL – Time To Live，1 byte）



用来防止 IP 分组在网络中出现无限循环; 分组产生时 TTL 被设臵一个初值；每经过一个路由器其值都 将减少；当 TTL = 0 时，该分组将被丢弃。 TTL 指定的不是一个精确的时间（以 hop 为单位）
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采用端到端可靠性的优点：


IP 分组的结构
0

IP 分组的构成：分组头 + 数据
4 8 16 19 标志Flag
24
31
版本 V 头长HL 服务类型 TOS 标识符 Identification 生存时间 TTL 协议 Protocol
总长度 TLEN 分片偏移量 Offset 分组头校验和 Checksum


在 TCP/IP体系结构中，尽管 ICMP 协议向其他高层协议 一样封装在 IP 分组中，但是其功能不是独立的，不能脱 离 IP 层而存在，因此仍然是属于 IP 层中的实现差错处 理和控制功能的一个模块。