Internet上的网络层

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TCP/IP协议栈第三层是网络层，网络层的目的是实现两个系统之间的数据透明传送，具体功能包括寻址和路由选择、连接和建立、保持和终止等。

TCP/IP协议给internet上的每台主机和路由分配一个地址，数据在internet中的传输主要就是依据一个个的IP地址来寻迹，最终把数据传送到要传送的目的主机上。

IP协议在TCP/IP协议栈的位置

无需连接：

跨域多个异构物理网，IP协议独立的对待要传输的数据报，在传输前不建立连接，传输数据报需要经过不同的路径。

不可靠性：

可靠性问题交由高层协议解决，数据在传输过程中可能出现丢失，延迟和无序情况。

最大努力传输：

IP尽最大的努力来交付数据报，不轻易放弃数据报。

互联网把它最基本的传输单元称为数据报，与物理网络帧类似，数据报分为首部和数据区，如下图：

IP不规定数据区的格式，可用来传输任意数据。

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IP首部：

版本：占4位，指IP协议的版本，目前是IPv4或IPv6。无论主机还是路由器，在收到一个IP数据报时，首先要检查版本字段，以便选择相应的IP协议模块来进行处理。

首部长度：占4位，可表示最大数值是15个单位（一个单位4个字节（32位）），取值5-15，因此IP首部长度范围是20-60字节。

服务类型：占8位。该分组所期望的服务质量。（通用）

bir0             bit1           bit2              bit3             bit4          bit5               bit6          bit7

precedence：低3位，指示对分组进行处理（排队或丢弃）的优先权，值从0（普通优先级）到7（网络控制）。

D、T、R：该分组所希望的路由转发服务类型，不能同时设置。

D：minimize delay

T：maximize reliability

R：maximize throughput

最高两位为保留位。

在RFC1349文件中多出一个C：minimize cost

在RFC2474文件中：

DSCP：differentiated services code point，区分服务编码点

CU：currently unused

服务类型：

bit0    bit1       bit2                bit3           bit4          bit5    bit6         bit7

D(delay)延迟，T(throughput)吞吐量，R(reliable)可靠性，M(monetary cost花费，开销，U(unused)未使用。

优先级有种：

111-Network Control(网络控制)

110-Internetwork Control(网间控制)

101-CRITIC/ECP(关键)

100-Flash override(疾速)

011-Flash(闪速)

010-Immediate(快速)

001-Priority(优先)

000-Routine(普通)

优先级6和7一般保留给网络控制数据使用，如路由。

优先级5推荐给语音数据使用。

优先级4由视频会议和视频流使用。

优先级3给语音控制数据使用。

优先级1和2给数据业务使用。

优先级0为默认标记值。

在标记数据时，既可以使用数值，也可以使用名称（英文名称）。

第3到6比特的含义如下：

0000--normal service；

1000--minimize delay；

0100--maximize throughput；

0010--maximize reliability；

0001--minimize monetary cost。

服务类型功能：指定本数据报的处理方式，TOS不是必须实现的。

区分服务编码点（DSCP）：

bit0 --- bit5                                                           bit6-bit7

利用已使用的6比特和未使用的2比特，通过编码值来区分优先级。

DSCP 使用6个bit，DSCP的值得范围为0~63。

DSCP 是“IP 优先”和“服务类型”字段的组合。为了利用只支持“IP 优先”的旧路由器，会使用 DSCP 值，因为 DSCP 值与“IP 优先”字段兼容。

用通俗一点的语言解释，其实DSCP就是为了保证通信的QoS，在数据包IP头部的8个标识字节进行编码，来划分服务类别，区分服务的优先级。

每一个DSCP编码值都被映射到一个已定义的PHB（Per-Hop-Behavior）标识码。

通过键入DSCP值，电话、Windows客户和服务器等终端设备也可对流量进行标识。如果有兴趣，可以用Wireshark软件抓包看看数据。

总长度（total lenght）：占16位，指首部和数据的总长度，单位以字节为单位，数据报最大长度为65535字节。

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标识字段（identification）：占16位，让目的主机确定一个新到达的分断属于哪一个数据报，源站每发送一个分组，标识值+1。

标志字段（flags）：

第一位不使用，第二位为DF（Don't Fragment）位，DF位设为1时表明路由器不能对该上层数据包分段。如果一个上层数据包无法在不分段的情况下进行转发，则路由器会丢弃该上层数据包并返回一个错误信息。第三位为MF（More Fragments）位，当路由器对一个上层数据包分段，则路由器会在除了最后一个分段的IP包的包头中将MF位设为1。

分段偏移（Fragmentation offset）：占13位，表示该IP包在该组分片包中位置，接收端靠此来组装还原IP包。以8字节为单位。

MTU，最大传输单元，当一个数据报较大，无法用一帧数据传输时（以太网一帧数据通常为64-1518字节），IP模块要把它分成较小的片，并为各个分片构造一个单独的IP数据报。

当同一个数据报的各个分片到达目的主机后，IP模块要将其重组，然后才能向上层交付。

生存时间（TTL）：占8位，描述在一个数据包在计算机和网络设备间传送的时候, 在它可以被丢弃之前, 可以经历的设备的数目的一个极限值。TTL是由数据包的发送者设置的，在前往目的地的过程中，每经过一台主机或设备， 这个值就要减少一点.（通常为1）。如果在数据包到达目的地前，TTL值被减到了0，那么这个包将作为一个ICMP错误的数据包被丢弃。

TTL可以防止无法到达目的地的数据包在网络中无限制地传递, 形成"不死包"。主要用来限制数据报在网络中的存活时间。

在路由器收到数据报时，TTL值为t1，处理时延为t2（通常为1），计算t=t1-t2，如果t<0，丢弃数据报，否则将t置为新的TTL值，并转发数据报。

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协议（protocol）：占8位，指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层知道将数据部分上交给哪个处理过程。

1：ICMP  2：IGMP      6：TCP     17：UDP    88：IGRP    89：OSPF

首部校验和：占16位，只校验数据报首部，数据部分不校验。

源地址：源主机的IP地址。

目的地址：目的主机的IP地址。

可选项（Options）：这是一个可变长的字段。该字段属于可选项，主要用于测试，由起源设备根据需要改写。可选项目包含以下内容：
    松散源路由（Loose source routing）：给出一连串路由器接口的IP地址。IP包必须沿着这些IP地址传送，但是允许在相继的两个IP地址之间跳过多个路由器。
    严格源路由（Strict source routing）：给出一连串路由器接口的IP地址。IP包必须沿着这些IP地址传送，如果下一跳不在IP地址表中则表示发生错误。
    路由记录（Record route）：当IP包离开每个路由器的时候记录路由器的出站接口的IP地址。
    时间戳（Timestamps）：当IP包离开每个路由器的时候记录时间。
填充（Padding）：因为IP包头长度（Header Length）部分的单位为32bit，所以IP包头的长度必须为32bit的整数倍。因此，在可选项后面，IP协议会填充若干个0，以达到32bit的整数倍。

关于可选项部分详解，请关注http://bbs.alifpga.com/

数据部分：IP报文数据。IP数据包报的数据部分通常情况下是传输层数据报（TCP或UDP）。

首部校验和的计算：IP首部校验和算法同之前讲过的ICMP校验和算法是一样的。这里不再赘述。

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作者：卿萃科技ALIFPGA

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