IP协议详解

        本文主要介绍了IP服务特点，头部结构，IP分片知识，并用tcpdump抓取数据包，来观察IP数据报传送过程中IP的格式，以及分片的过程。

IP头部信息：IP头部信息出现在每个IP数据报中，用于指定IP通信的源端IP地址、目的端IP地址，知道IP分片和重组。

IP数据报的路由和转发：IP数据报的路由和转发发生在出目标机器之外的所有主机和路由器上。他们决定数据报是否应该转发以及如何转发。

IP服务的特点

IP协议是TCP/IP协议族的动力，它为上层协议提供无状态、无连接、不可靠的服务。

无状态是指IP通信双方不同步传输数据的状态信息，因此所有IP数据报的发送、传输和接收都是相互独立、没有上下文关系的。这种服务最大的缺点是无法处理乱序和重复的IP数据报。

无连接是指IP通信双方都不长久的维持对方的任何信息。这样，上层协议每次发送数据时，都必须明确指定对方的IP地址。

不可靠是指IP协议不能保证IP数据报准确的达到接收端。

IPv4头部结构

4位版本号指定IP协议的版本

4位头部长度表示IP有多少个32bit字（4字节）

8为服务类型（Type OfService）包括一个3为优先字段，4位的TOS字段和1位保留字段（必须置0）。4位的TOS字段分别表示：最小延迟，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。其中最多有一个能置为1。

16位总长度是指整个IP数据报的长度，以字节为单位。由于MTU的限制，长度超过MTU的数据豆浆杯分片传输。

16位标识唯一标识主机发送的每一个数据报，同一个数据报的所有分片具有相同标识值。

3位标志字段第一位保留，第二位表示“禁止分片”，第三位表示更多分片，除了数据报最后一个分片外，其他分片都要把她置1.

13位分片偏移是分片对原始IP数据报开始出的偏移。

8位生存时间（Time ToLive，TTL）是数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。每经过一个路由，该值减1.

8位协议用来区分上层协议，其中ICMP是1，TCP是6，UDP是17.

16位头部校验和检验IP数据头部在传输过程中是否损坏。

32位源端IP地址和目的端IP地址用来标识发送端和接收端。

使用tcpdump观察IPv4头部结构

chen123@ubuntu:~$ sudo tcpdump -ntx -i lo

chen123@ubuntu:~$ 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头部各个字段详解：

IP分片

当IP数据报的长度超过帧的MTU时，将被分片传输。分片可能发生在发送端，也可能发生在路由器上，而且可能在传输过程中被多次分片。但只有在最终目标机器上，这些分片才会被内核中的IP模块重新组装。

IP头部中的如下三个字段给IP的分片和重组提供了足够的信息：数据报标识、标志和片偏移。一个IP数据报的每个分片都具有自己的IP头部，他们具有相同的标识值，但具有不同的片偏移。并且除了最后一个分片外，其他分片都将设置MF标志。此外，每个分片的IP头部的总长度将被设置为该分片的长度

以太网的MTU（关于MTU概念见http://blog.csdn.net/walkerkalr/article/details/34410937封装部分）是1500字节，因此它携带的IP数据报的数据部分最多是1480字节(IP头部占用20字节)。烤炉用IP数据报封装一个长度为1481字节的ICMP报文（包括8字节的ICMP，所以其数据部分长度为1473字节），则该数据报在使用以太网帧传输室必须分片。

需要指出的是，ICMP报文的头部长度取决于报文类型，下面的例子使用ping程序，而ping程序使用的ICMP回显与应答报文的头部长度是8字节。为了看清楚IP分片的具体过程，考虑从chen123（关于在一台主机上搭建的测试网络见http://blog.csdn.net/walkerkalr/article/details/34420041）来ping机器li123，每次传送1473个字节以强制引起IP分片，并用tcpdump抓取这一过程中双方的数据报。具体操作如下：

chen123@ubuntu:~$sudo tcpdump -ntv -i eth0 icmp #只抓取ICMP包

chen123@ubuntu:~$ping 192.168.73.130 -s 1473 #用-s选项指定每次发送1473字节的数据

如下是在敲入tcpdump命令终端上的输出：

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

这两个IP的表示值都是21061，说明它们是同一个IP数据报的分片。第一个分片的片偏移是0，第二个是1480。很显然，第二个分片的片偏移实际上是第一个分片的ICMP报文的长度。第一个分片设置了MF标识表示还有后续分片，所以tcpdump输出”flags[+]”。而第二个分片则没有设置任何标识，所以tcpdump输出“flags[none]”。因为我们发送1473个字节，加上8字节的ICMP头部长度和20字节的IP头部长度，则最终长度1501字节大于MTU值，需要被分片。也就是,第一个IP分片长度为1500，第二个为21，每个分片都有自己的IP头部（20字节）。

TCP/IP协议族——IP工作原理及实例详解（上）,布布扣,bubuko.com

TCP/IP协议族——IP工作原理及实例详解（上）

原文：http://blog.csdn.net/walkerkalr/article/details/34436233