第8章 IP：网际协议

所属：TCP/IP详解卷2：实现来源：TCP/IP详解卷2：实现

本章描述IP层的实现，包括IP首部结构、IP输入处理、IP输出处理、IP转发和IP选项处理等。

8.1 引言

IP层的作用

IP层的作用：

提供无连接的数据报服务
负责寻址和选路
分片和重装
尽力而为的服务
不保证可靠交付

IP是TCP/IP协议栈的核心。

本章讨论的内容

本章讨论的内容：

IP首部结构
IP输入处理（ip_input）
IP输出处理（ip_output）
IP转发（ip_forward）
IP选项处理
IP分片与重装（下一章详细讲）

本章讨论IP层的基本实现。

8.2 IP首部

IP首部结构

IP首部的结构：

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|版本|首部长度|  服务类型  |          总长度                   |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|          标识               |标志|      片偏移             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|  生存时间  |    协议     |           首部检验和             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         源地址                              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                         目的地址                            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    选项（如果有）                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                    数据（如果有）                          |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

ip结构

内核中的IP首部结构：

struct ip {
    u_char  ip_vhl;             /* 版本和首部长度 */
    u_char  ip_tos;             /* 服务类型 */
    u_short ip_len;             /* 总长度 */
    u_short ip_id;              /* 标识 */
    u_short ip_off;             /* 标志和片偏移 */
    u_char  ip_ttl;             /* 生存时间 */
    u_char  ip_p;               /* 协议 */
    u_short ip_sum;             /* 首部检验和 */
    struct  in_addr ip_src;     /* 源地址 */
    struct  in_addr ip_dst;     /* 目的地址 */
};

字段说明

字段	大小	说明
ip_vhl	1字节	版本（4位）+ 首部长度（4位）
ip_tos	1字节	服务类型
ip_len	2字节	总长度（首部+数据）
ip_id	2字节	标识（分片用）
ip_off	2字节	标志（3位）+ 片偏移（13位）
ip_ttl	1字节	生存时间
ip_p	1字节	协议（TCP=6, UDP=17, ICMP=1等）
ip_sum	2字节	首部检验和
ip_src	4字节	源IP地址
ip_dst	4字节	目的IP地址

IP首部最小20字节，选项最多40字节。

常用的宏

常用的IP宏：

宏	说明
IP_V(ip)	获取版本号
IP_HL(ip)	获取首部长度（以4字节为单位）
IP_OFF(ip)	获取片偏移
IP_MF	更多分片标志
IP_DF	不分片标志
IP_RF	保留标志

宏方便访问各个字段。

8.3 IP输入处理

ip_input函数

IP输入处理（ip_input）：

从链路层收到IP数据报
验证IP首部
处理选项
判断是本机还是转发
分用给上层协议

ip_input是IP层输入的入口。

输入处理流程

IP输入的处理流程：

收到IP数据报
   |
   v
验证版本和长度
   |
   v
验证检验和
   |
   v
处理IP选项
   |
   v
目的地址是本机？
   |
   +---> 是 → 分用给上层协议
   |        |
   |        +---> TCP → tcp_input
   |        +---> UDP → udp_input
   |        +---> ICMP → icmp_input
   |        +---> 其他 → 原始IP
   |
   +---> 否 → 转发（ip_forward）

验证步骤

IP输入的验证：

版本验证
- 必须是IPv4（版本=4）
- 不是则丢弃
首部长度验证
- 至少20字节
- 不超过总长度
总长度验证
- 至少和首部一样长
- 不超过接收的长度
检验和验证
- 计算检验和
- 必须为0
- 不对则丢弃

验证不通过就丢弃。

分用

IP分用（demultiplexing）：

根据ip_p字段（协议号）分用
找到对应的上层协议
交给上层处理

常见的协议号：

1：ICMP
2：IGMP
6：TCP
17：UDP
… 还有很多

分用把数据交给正确的上层协议。

8.4 IP输出处理

ip_output函数

IP输出处理（ip_output）：

上层协议调用
添加IP首部
处理选项
选路
可能分片
交给接口发送

ip_output是IP层输出的入口。

输出处理流程

IP输出的处理流程：

上层调用ip_output
   |
   v
构造IP首部
   |
   v
处理IP选项
   |
   v
选路，确定下一跳和输出接口
   |
   v
需要分片？
   |
   +---> 是 → 分片（ip_insertoptions等）
   |
   +---> 否 → 继续
   |
   v
计算检验和
   |
   v
调用接口输出

源地址选择

源地址的选择：

如果应用指定了源地址，用指定的
否则根据输出接口选择
- 用输出接口的地址作为源地址
多宿主主机的情况
- 选择最合适的地址

源地址通常是输出接口的地址。

TTL设置

TTL的设置：

默认值（通常64）
应用可以修改
多播默认TTL=1
原始IP可以自己设置

TTL限制分组的跳数。

8.5 IP转发

ip_forward函数

IP转发（ip_forward）：

目的不是本机
需要转发出去
路由器的功能
需要开启GATEWAY选项

转发是路由器的核心功能。

转发流程

IP转发的流程：

目的不是本机
   |
   v
检查是否允许转发
   |
   +---> 不允许 → 丢弃，发ICMP不可达
   |
   +---> 允许 → 继续
            |
            v
        TTL减1
            |
            v
        TTL为0？
            |
            +---> 是 → 丢弃，发ICMP超时
            |
            +---> 否 → 继续
                     |
                     v
                 查找选路表
                     |
                     v
                 找到路由？
                     |
                     +---> 否 → 丢弃，发ICMP不可达
                     |
                     +---> 是 → 继续
                              |
                              v
                          重新计算检验和
                              |
                              v
                          可能需要重定向
                              |
                              v
                          调用接口输出

TTL处理

TTL的处理：

转发时TTL减1
TTL为0则丢弃
发送ICMP超时报文
防止分组无限循环

TTL防止路由循环。

检验和更新

检验和的更新：

TTL变了，检验和也要变
可以用增量计算
不需要重新计算整个首部
提高效率

增量计算提高转发效率。

8.6 IP选项处理

选项的类型

常见的IP选项：

记录路径
时间戳
源站选路（宽松和严格）
安全选项
等等

选项扩展IP的功能。

选项的处理

选项处理的时机：

输入时处理：ip_dooptions
输出时添加：应用设置
转发时处理：更新选项

选项在输入、输出、转发时都要处理。

8.7 小结

IP首部

结构
- 版本、首部长度
- 服务类型、总长度
- 标识、标志、片偏移
- TTL、协议、检验和
- 源地址、目的地址
- 选项（可选）
ip结构
- 内核中的C结构
- 对应IP首部
常用宏
- IP_V、IP_HL
- IP_OFF
- IP_MF、IP_DF

IP输入处理

ip_input
- IP输入的入口
- 从链路层接收
验证
- 版本、长度
- 检验和
- 不通过就丢弃
分用
- 根据协议号
- 交给上层协议

IP输出处理

ip_output
- IP输出的入口
- 上层调用
源地址选择
- 指定的或接口地址
TTL设置
- 默认值
- 应用可修改

IP转发

ip_forward
- 转发功能
- 路由器功能
TTL处理
- 减1
- 为0则丢弃
检验和更新
- 增量计算
- 提高效率

IP选项

选项类型
- 记录路径
- 时间戳
- 源站选路
- 等等
处理时机
- 输入时
- 输出时
- 转发时

关键概念

IP首部
- 20字节基本首部
- 选项最多40字节
ip_input
- 输入处理
- 验证、分用
ip_output
- 输出处理
- 构造首部、选路
ip_forward
- 转发处理
- TTL减1
IP选项
- 扩展IP功能
- 各种选项

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