【Linux Server】 IP协议详解

IP头部信息：IP头部信息存在每个IP数据报中，指定IP通信的源端IP地址和目的端IP地址，指导IP分片和重组，以及指定部分通信行为。

IP数据包的路由和转发：IP数据报的路由和转发发生在除目标机器意外的所有主机和路由器上，它们决定数据包是否应该转发以及如何转发。

IP协议是TCP/IP协议族的动力，为上层服务提供无状态，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数据包的发送、传输和接受都是相互独立没有上下文关系的。如果发送端的第N个IP数据报可能比第N+1个IP数据报要早到，也有可能同一个IP数据报经过不同路径多次到达接收端，由于数据报之间相互独立，没有相互的上下文关系因此无法检测出乱序和重复。

因此IP模块收到IP数据报，就将其数据部分交给上层协议，从上层协议来看这些数据就可能是乱序的、重复的。而面向连接的协议，比如TCP协议，就能够自己处理乱序的、重复的报文段，那么经过TCP协议处理后的数据对于上层协议的内容来说就绝对是有序的、正确的。

无状态服务的优点简单高效：无需为保持通信的状态而分配一些内核资源，每次传输数据也不用携带状态信息。

无连接是指双方不会长久地维持对方的任何信息，这样上层协议每次发送数据时都需要指明IP地址。

不可靠是指IP协议不能保证IP数据报都能准确到达接收端，承诺经最大努力。比如如果路由器发现某个IP数据报在网络中存活时间太长，就把他丢弃掉。接收端发现收到IP数据报不正确，也会丢弃，返回ICMP错误信息。发送端的IP模块检测到IP数据报发送失败了，就通知上层协议发送失败，不会视图重传。因此对于上层协议来说，交给IP协议发送的数据是不能可靠地保证送到目的端的。因此使用IP服务的上层协议（比如TCP协议）会自己实现数据确认，超时重传等机制来达到可靠传输的目的。

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版本号为IP协议的不同版本，IPv4是4，还有其他的IPv4扩展版本等等。

表示IP头部可以用多少个32bit（4字节），因此IP头部最长是60字节。

8位服务类型：

16位总长度：表示整个IP数据报的长度，以字节为单位，但是实际在以太网中传播都是以以太网帧传播，长度超过MTU的数据报都会被分片传输。

16位标识：唯一地标识主机发送的每一个数据报，数据报分片时就会被复制到每个分片中。同一个数据报的所有分片具有相同的标识值。

3位标志：

13位分片偏移：分片相对于原始IP数据报开始处的偏移。

8位生存时间：是数据报到达目的地到达目的地之前允许经过的路由器跳数。

8位协议：/etc/protocols文件定义了所有上层协议对应的protocal字段数值。

16位头部校验和：发送端填充，接收端通过CRC算法检验IP数据报头部正确性。

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使用telnet程序自己登陆自己，用tcpdump抓取这个过程中telnet客户端程序和telnet服务器程序之间交互的数据包。

telnet客户端使用临时端口号41621与服务器通信。

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4表示使用IPv4，5表示IP头部长度为5个32位（20个字节）。004d（77个字节），数据报总长度。

f9db是数据报标识。0x4，禁止切片。0x000，分片偏移。Ox40，TTL为64。0x11,协议字段为17，使用的是UDP（书上使用的是TCP）。0x428e，IP数据报的校验和。Ox7f000035是源端地址，后面的是目的端地址。

当IP数据报长度超过帧的MTU时，会被分片传输。分片可能发生在发送端，也可能中转被分片，最后在最终目标机器上被重新组装。

IP头部中三个重要的字段给分片和重组提供了足够的信息：数据报标识，标志和片偏移。

标识表示这些分片是不是同一个IP数据报的。

标志表示这个分片是不是最后一个分片。

片偏移表示他的数据偏移量。

IP协议的一个核心任务是数据报的路由，即决定数据报到目标机器的路径。

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当IP模块接受到来自数据链路层的IP数据报，首先对数据报的头部做CRC校验，确认是正确的信息。

如果设置了源站选路选项，则会调用数据报转发模块。

如果目标IP地址是本机或者是广播地址，则该报文就是发给本机的，IP模块就会根据数据报头部的协议字段决定派发给哪个上层应用（分用），如果不是发给本机的，一样会调用数据报转发。

IP数据报应该发送给哪个下一跳路由（或者目标机器），以及经过哪个网卡来发送，就是IP路由过程。

虚线箭头显示了路由表更新过程，通过路由协议或者route命令调整路由表。

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第一项的目标地址是fault，是默认路由项，下一跳目标是网关，其地址是192.168.1.1,另外一个路由项的目标地址是192.168.1.0，指的是本地局域网，路由项的网关地址为*，是因为数据报不需要路由中专，可以直接发送到目标机器。

首先‘网关’一个大概念，不具体特指一类产品，只要连接两个不同的网络的设备都可以叫网关；而‘路由器’么一般特指能够实现路由寻找和转发的特定类产品，路由器很显然能够实现网关的功能。当然电信行业说的‘路由器’又和家用的‘路由器’两个概念，这个暂且不表。
回到题目中你说问的默认网关是什么，默认网关事实上不是一个产品而是一个网络层的概念，PC本身不具备路由寻址能力，所以PC要把所有的IP包发送到一个默认的中转地址上面进行转发，也就是默认网关。这个网关可以在路由器上，可以在三层交换机上，可以在防火墙上，可以在服务器上，所以和物理的设备无关。

1）查找路由表中和数据报的目标IP地址完全匹配的主机IP地址，如果找到就使用该路由项。（先确认是否在本地局域网)

2）查找路由表中和数据报的目标IP地址具有相同网路ID的网络IP地址。(再确认是否在已知的本地网络)

3）选择默认路由项。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-cElrkfEJ-1654527703473)(C:UsersacerAppDataRoamingTyporatypora-user-imagesimage-20211023102323777.png)]

sudo route add -host 192.168.1.109 dev eth0
sudo route del -net 192.168.1.0 netmast 255.255.255.0
sudo route del default
sudo route add default gw 192.168.1.109 dev eth0

第一行表示添加主机192.168.1.109（Kongming20）对应的路由项，这么设置后所有发送到laptop的数据报，如果本应该发送给Kongming的话，那么IP数据报就会通过eth0网卡直接发送至目标机器的接受网卡。第二行表示删除192.168.1.0对应的路由项，表示的是本地局域网，因此laptop将无法访问该局域网上的任何其他机器（除了Kongming20）。第3行删除默认路由选项后将无法访问因特网，第4行重新设置了默认路由器选项，不过这次网关是Kongming20(是一台机器而不是直接访问因特网的路由器)。

路由器都能执行数据报的转发操作，而主机一般只发送和接受数据报。数据报转发子模块执行如下操作：

1）检查数据报头部的TTL值，如果已经是0，则丢弃该数据报。

2）查看数据报头部的严格源路由选择，如果被设置，则检测数据报目标IP是否是本机的某个IP，如果不是则发送ICMP源站选路失败给发送端。

3）如果有必要，则给源端发送一个ICMP重定向报文，告诉它一个更合理的下一跳路由器。

4）TTL–

5）处理IP头部

ICMP重定向报文也能用于更新路由表，本节简要讨论ICMP重定向。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-tjxDAPzx-1654527703473)(C:UsersacerAppDataRoamingTyporatypora-user-imagesimage-20211023104448632.png)]ICMP重定向报文数据部分含义很明确，给接收方提供如下两个信息：

引起重定向的IP数据报的源端IP地址。

应该使用的路由器IP地址。

接受主机根据这两个信息就可以断定引起重定向的IP数据报应该使用哪个路由器来转发，以此来更新路由表。一般来说主机只能接受ICMP重定向报文，而路由器只能发送ICMP重定向报文。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-H1jS8Qoi-1654527703474)(C:UsersacerAppDataRoamingTyporatypora-user-imagesimage-20211023104957789.png)]

刚刚我们让laptop无法访问局部局域网（除了Kongming20），也把默认路由选项路由器删除了。因此laptop将通过Kongming20来访问因特网，

送ICMP重定向报文。

[外链图片转存中…(img-H1jS8Qoi-1654527703474)]

刚刚我们让laptop无法访问局部局域网（除了Kongming20），也把默认路由选项路由器删除了。因此laptop将通过Kongming20来访问因特网，