本章从两方面探讨IP协议：
1.IP头部信息。IP头部出现在每个IP数据报中，用于指定IP通信的源端IP地址、目的端IP地址，指导IP分片和重组，指定部分通信行为。

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

由于32位的IPv4地址即将全部用完，因此人们开发出了新版本的IPv6协议。

IP协议为上层协议提供无状态、无连接、不可靠的服务。

无状态（stateless）指所有IP数据报的发送、传输、接收都是相互独立、没有上下文关系的，这种服务的缺点是无法处理乱序和重复的IP数据报，如发送端发送出的第N个IP数据报可能比第N+1个IP数据报后到达接收端，而相同源地址和目的地址的IP数据报也可能经过不同路径到达接收端，也会出现同一个IP数据报多次到达接收端（正常情况下，同一个IP数据报不会多次到达接收端，只有在网络故障的情况下才会出现），这样接收端的IP模块无法检测到乱序和重复，因为这些IP数据报之间没有任何上下文关系。接收端的IP模块只要接收到了完整的IP数据报（如果IP分片的话，IP模块会先将其重组），就将其数据部分（如TCP报文段、UDP数据报、ICMP报文）上交给上层协议，从上层协议来看，这些数据就可能是乱序、重复的，而面向连接的上层协议，如TCP，则能自己处理乱序、重复的报文段，从而递交给TCP的上层的内容绝对是有序的、正确的。

IP数据报头部提供了一个标识字段用来唯一标识一个IP数据报，但它是用来处理IP分片和重组的，而非用来指示接收顺序的。

无状态服务的优点是简单、高效，我们无须为保持通信的状态而分配一些内核资源，也无须每次传输数据时都携带状态信息。在网络协议中，无状态是很常见的，如UDP协议和HTTP协议都是无状态协议，以HTTP协议为例，一个浏览器的连续两次网页请求之间没有任何关联，它们被Web服务器独立地处理。

无连接（connectionless）指IP通信双方都不长久地维持对方的任何信息，这样，上层协议每次发送数据的时候，都必须明确指定对方的IP地址。

不可靠指的是IP协议不保证IP数据报准确地到达接收端，它只是承诺尽最大努力（best effort），很多情况都会导致IP数据报发送失败，如某个中间路由器发现IP数据报在网络上存活的时间太长（根据IP首部中的TTL字段判断），那么该路由器将丢弃此IP数据报，并返回一个ICMP错误消息（超时错误）给发送端；又比如接收端发现收到的IP数据报不正确（通过校验机制），接收端也会将该IP数据报丢弃，并返回一个ICMP错误消息（ICMP首部参数错误）给发送端。而发送端的IP模块一旦检测到IP数据报发送失败，就通知上层协议发送失败，而不会试图重传，因此，使用IP服务的上层协议（如TCP）需要自己实现数据确认、超时重传等机制以达到可靠传输的目的。

IP首部结构如下图，其长度通常为20字节，除非含有可变长度的选项部分：

4位版本号字段指定IP协议的版本，对IPv4来说，其值为4。

4位首部长度字段标识IP头部长度，以4字节为单位，因此IP头部最长为2${}^4$*4=60字节。

8位服务类型字段（Type Of Service，TOS）包括一个3位的优先权字段（现已被忽略）、4位的TOS字段和1位保留字段（必须置0）。4位的TOS字段分别为：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用，其中最多只能有一位置1，应用程序可根据实际需要来设置它，如像ssh和telnet这样的登录程序需要最小延时服务，而ftp则需要最大吞吐量服务。而目前的IPv4使用DiffServ（Differentiated Services，区分服务）和ECN（显式拥塞通知，Explicit Congestion Notification）等更现代的QoS（服务质量，Quality of Service，即对服务质量的要求）机制所取代。

16位总长度字段指IP头部+数据部分的整个IP数据报的长度，以字节为单位，因此IP数据报的最大长度为2${}^{16}$-1=65535字节。但由于MTU的限制，长度超过MTU的数据报都将被分片传输，所以实际传输的IP数据报（或分片）的长度都远远没有达到最大值，接下来的3个字段描述了如何实现分片。

16位标识字段（identification）唯一地标识主机发送的每个数据报，其初始值由系统随机生成，每发送一个数据报，其值就加1，该值在数据报分片时被复制到每个分片中，因此同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。

3位标志字段的第一位保留，必须置0；第二位表示禁止分片（DF，Don’t Fragment），如果设置了此位，IP模块将不对数据报进行分片，此时，如果IP数据报长度超过MTU，IP模块将丢弃该数据报并返回一个ICMP差错报文；第三位表示更多分片（MF，More Fragment），除了数据报的最后一个分片外，其他分片都要将其置为1。

13位分片偏移字段（fragmentation offset）是分片相对分片前的IP数据报的数据部分开始处的偏移，以8字节为单位，原因为该字段只有13位，而整个IP数据报长度字段有16位，因此需要以8字节为单位偏移值才能覆盖整个IP数据报，因此，除了最后一个IP分片外，每个IP分片的数据部分的长度必须是8字节的整数倍。

8位生存时间字段（TTL，Time To Live）是数据报到达目的地前允许经过的路由器最大跳数，TTL值被发送端设置（常见的值是64或128），数据报在转发过程中每经过一个路由，该值就被路由器减1，当TTL值减为0时，路由器将丢弃数据报，并向源端发送一个ICMP差错报文。TTL值可防止数据报陷入路由循环。

8位协议字段（protocol）用来区分上层协议，/etc/protocols文件定义了所有上层协议对应的protocol字段的值，其中，ICMP是1，TCP是6，UDP是17。RFC 1700中规定了协议号的分配，/etc/protocols文件中的内容一般是RFC 1700中规定的协议号分配的子集。

16位头部校验和字段（header checksum）由发送端填充，接收端对其进行检验（仅检验头部）以确定IP头部是否在传输过程中被损坏。

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，一般，这两个地址在整个数据报的传递过程中保持不变，而无论它经过了多少中间路由器。

选项字段是可变长的可选信息，最多包含40字节，因为IP头部最长为60字节，减去前面固定部分20字节。部分IP选项：
1.记录路由（record route）选项：告诉该数据报途径的所有路由器都将自己的IP地址填入IP头部的选项部分，这样我们就可以跟踪数据报的传递路径。

2.时间戳（timestamp）选项：告诉每个路由器将数据报被转发的时间填入IP头部的选项部分，这样就可测量途径的路由之间的数据报传输的时间。

3.松散源路由选择（loose source routing）选项：指定一个路由器IP列表，数据报发送过程中必须经过其中所有路由器。

4.严格源路由选择（strict source routing）选项：类似松散源路由选择，但数据报只能经过被指定的路由器。

其他IP头部选项可参考RFC 791，但其他选项很少被使用，使用松散源路由选择和严格源路由选择的例子可能只有traceroute程序。作为记录路由选项的替代品，traceroute程序使用UDP和ICMP实现了更可靠的记录路由功能，可参考RFC 1393。

我们在ernest-laptop上执行telnet命令登录该主机本身，并用tcpdump抓取此过程中telnet客户和telnet服务器之间交换的数据包，具体操作如下：

tcpdump输出的第一个数据包：

该数据包描述的是一个IP数据报，由于我们是使用telnet登录本机的，所以IP数据报的源IP地址和目的端IP地址都是127.0.0.1。telnet服务器使用端口号23（参见/etc/services文件），而telnet客户使用临时端口号41621与服务器通信。Flags、seq、win、option描述的都是TCP头部信息。length指出该IP数据报所携带的应用程序数据的长度为0。

本次抓包我们开启了tcpdump的-x选项，使其输出数据包的二进制码，此数据包共含60字节，其中前20字节是IP首部，后40字节是TCP首部，不包含应用程序数据。以下是IP头部中的每个字节含义：

上表中第二列的空格子表示我们不关心相应字段的十进制值。由上表可见，telnet服务选择具有最小延时的服务，且默认使用的传输层协议是TCP协议。这个IP数据报没有被分片，且没有携带任何应用程序数据。

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

IP头部的以下三个字段为IP的分片和重组提供了足够的信息：数据报标识、标志、片偏移。一个IP数据报的每个分片都有自己的IP头部，它们具有相同的标识值，但片偏移不同，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头部的总长度字段都被设置为该分片的长度。

以太网帧的MTU是1500字节，可通过ifconfig命令查看：

以太网MTU为1500字节，它指定的是可以在单个帧中传输的最大数据量，不包括帧头和帧尾，因此一个以太网帧可以携带的IP数据报的最大长度为1500字节，减去20字节的IP固定首部长度，得到IP数据报的数据部分最多是1480字节。我们用IP数据报封装一个长度为1481字节的ICMP报文（包括8字节ICMP头部和1473字节数据部分），该IP数据报在使用以太网帧传输时必须被分片，如下图所示：

上图中，长为1501字节的IP数据报被拆分成两个IP分片，第一个IP分片长度为1500字节，第二个IP分片长度为21字节，每个IP分片都包含自己的IP头部（20字节），且第一个IP分片的IP首部设置了MF标志，而第二个IP分片的IP首部没有设置该标志，因为它已经是第二个分片了。原始IP数据报中的ICMP头部内容被完整地复制到了第一个IP分片中，第二个IP分片不包含ICMP头部信息，因为IP模块重组该ICMP报文的时候只需要一份ICMP头部信息，重复传送这个信息没有用处。1473字节的ICMP报文数据的前1472字节被IP模块复制到第一个IP分片中，使其总长度为1500字节，从而满足MTU的要求，而多出的最后1个字节被复制到第二个IP分片中。

ICMP报文的头部长度取决于报文的类型，变化范围很大，上图中以8字节为例，ping程序使用的ICMP回显和应答报文的头部长度是8字节的。

我们在ernest-laptop上ping Kongming20，每次传送1473字节的数据（即ICMP报文的数据部分长1473字节）以强制引起IP分片，并用tcpdump抓取这一过程双方交换的数据包，具体操作如下（tcpdump的-n选项表示显示数值形式的IP地址和端口号，-v选项显示更详细的输出）：

tcpdump会输出一个IP数据报的两个分片，其内容如下：

这两个IP分片的标识值都是61197，说明它们是同一个IP数据报的分片。第一个分片的片偏移为0，而第二个是1480，显然，第二个分片的片偏移值实际也是第一个分片的ICMP报文长度。“flags [+]”表示第一个分片设置了MF标志，因为它后面还有分片，而第二个分片没有设置任何标志，因此tcpdump输出“flags [none]”。这两个分片的长度分别是1500字节和21字节，与图2-2中描述的一致。

IP层传递给数据链路层的数据可能是一个完整的IP数据报，也可能是一个IP分片，它们统称为IP分组。

IP协议会决定数据报到目标机器的路径，即数据报的路由。

IP模块的基本工作流程：

从右往左分析上图，当IP模块收到来自数据链路层的IP数据报时，它首先对该数据报的头作校验，确认无误后就分析其头部的信息。

如果该IP数据报的头部设置了源站选路选项（松散源路由选择或严格源路由选择），则IP模块调用数据报转发子模块来处理该数据报，这是因为经过某个源路由后，该路由地址会从选项中被删除，从而到达目标机器时源站选路选项已为空。如果该IP数据报的头部中目标IP地址是本机的某个IP地址，或是广播地址，则该数据报是发送给本机的，则IP模块就根据数据报头部中的协议字段决定将它派发给哪个上层应用（分用）；如果IP模块发现这个数据报不是发送给本机的，则也调用数据报转发子模块来处理该数据报。

数据报转发子模块首先检测系统是否允许转发，如果不允许，IP模块就将数据报丢弃，如果允许，数据报转发子模块将对该数据报执行一些操作，然后将它交给IP数据报输出子模块。

IP数据报应发送至哪个下一跳路由（或目标机器），以及经过哪个网卡来发送，就是IP路由过程，即上图中“计算下一跳路由”子模块。IP模块实现数据报路由的核心数据结构是路由表，这个表按照数据报的目标IP地址分类，同一类型的IP数据报将被发往相同的下一条路由器（或目标机器）。

IP输出队列中存放的是所有等待发送的IP数据报，其中除了需要转发的IP数据报外，还包括封装了本机上层数据（如ICMP报文、TCP报文段、UDP数据报）的IP数据报。

上图中的虚线箭头显示了路由表更新的过程，此过程通过路由协议或route命令调整路由表，使其更适应最新的网络拓扑结构。

可用route命令查看路由表，在ernest-laptop上执行route命令：

每项包含8个字段，如下表所示：

代码清单2-2所示的路由表中，第一项的目标地址是default，即默认路由项，该项包含一个G标志，说明路由的下一跳是网关，网关地址为192.168.1.1（这是此网络中路由器的本地IP地址）。另一个路由项的目标地址是192.168.1.0，它指的是本地局域网（主机号全0的地址为网络地址，它不会分配给实际主机，因为此地址通常表示整个网络），该路由项的网关地址为*，说明数据报不需路由器中转，可直接发送到目标机器。

给定一个IP，在路由表中的匹配过程：
1.查找路由表中和给定IP完全匹配的主机IP地址，如果找到，就使用该路由项，否则转步骤2。

2.查找路由表中和数据报的目标IP地址具有相同网络ID的IP地址，如果找到，就使用该路由项，否则转步骤3。

3.选择默认路由项，通常意味着数据报的下一跳路由是网关。

因此，对于ernest-laptop机器而言，所有发送到IP地址为192.168.1.*的IP数据报都可直接发送到目标机器（匹配路由表第二项），而所有访问因特网的请求都将通过网关来转发（匹配默认路由项）。

路由表必须能更新，以反映网络连接的变化，这样IP模块才能准确、高效地转发数据报。route命令可修改路由表，以下操作在ernest-laptop上执行：

第一行表示添加主机192.168.1.109（Kongming20机器）对应的路由项，这样设置后，所有从ernest-laptop发送到Kongming20的IP数据报将通过网卡eth0直接发送至目标机器的接收网卡。第二行表示删除网络192.168.1.0对应的路由项，这样，除了Kongming20外，ernest-laptop将无法访问该局域网上的任何其他机器（能访问到Kongming20是由于执行了第一行命令）。第三行表示删除默认路由项，这样做的后果是无法访问因特网。第四行表示重新设置默认路由项，但这次其网关是Kongming20，而非能直接访问因特网的路由器。经过以上操作后的路由表：

第一行路由项是主机路由项，因为它被设置了H标志，我们设计这样的路由表的目的是为后文讨论ICMP重定向提供环境。

通过route命令或其他工具手工修改路由表是静态的路由更新方式，对于大型路由器，它们通常通过BGP（Border Gateway Protocol，边际网关协议）、RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）、OSPF等协议来发现路径，并更新自己的路由表，这种更新方式是动态的，自动的。

不是发给本机的IP数据报将由数据包转发子模块处理，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收数据报，因为主机上/proc/sys/net/ipv4/ip_forward内核参数默认被设置为0，我们可通过修改此参数开启主机的数据报转发功能，我们在Kongming20上以root身份执行：

允许IP数据报转发的系统（主机或路由器）的数据报转发子模块会对要转发的数据报做以下操作：
1.检查数据报头部的TTL值，如果该值已经为0，则丢弃该数据报。

2.查看数据报头部的严格源路由选项是否设置，如果设置，则检测数据报的目标IP地址是否是本机的某个IP，如果不是，则发送一个ICMP源站选路失败报文给发送端。

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

4.将TTL值减1。

5.处理IP头部选项。

6.如果有必要，执行IP分片操作。

ICMP重定向报文也能用于更新路由表，其报文格式为：

ICMP报文头部有3个固定的字段：8位类型、8位代码、16位校验和。ICMP重定向报文的类型值为5，代码字段有4个可选值，用来区分不同的重定向类型，我们仅讨论主机重定向，其代码值为1。

ICMP重定向报文数据部分给接收方提供以下信息：
1.引起重定向的IP数据报的源端和目的端IP地址。

2.应使用的路由器的IP地址。

接收主机根据这两条信息获知引起重定向的IP数据报应使用哪个路由器来转发，并由此更新路由表（通常是路由表缓冲，而不是直接修改路由表）。

/proc/sys/net/ipv4/conf/all/send_redirects内核参数指定是否允许发送ICMP重定向报文，而/proc/sys/net/ipv4/conf/all/accept_redirects内核参数指定是否允许接收ICMP重定向报文。一般主机只能接收ICMP重定向报文，而路由器只能发送ICMP重定向报文。

上文中，我们把ernest-laptop机器的网关设置成了机器Kongming20，然后又打开了Kongming20的数据报转发功能，因此机器ernest-laptop将通过Kongming20访问因特网，如果我们在ernest-laptop上执行ping命令：

从ping命令的输出看，Kongming20给ernest-laptop发送了一个ICMP重定向报文，告诉ernest-laptop使其通过192.1681.1（路由器）来访问目标机器，因为这对ernest-laptop来说是更合理的路由方式。当主机ernest-laptop收到此ICMP重定向报文后，它将更新其路由表缓冲（可用命令route -Cn查看，-C选项表示操作的是路由表缓冲），并使用新的路由方式发送后续数据报，重定向过程为：

IPv6是网络层技术的发现趋势，它不仅解决了IPv4地址不够用的问题，还做了很大改进，如增加了多播和流功能，为网络上多媒体内容的质量提供精细的控制；引入了自动配置功能，使局域网管理更方便；增加了专门的网络安全功能等。IPv6的细节可参考RFC 2460。

IPv6由40字节的固定头部和可变长的扩展头部组成，以下是IPv6的固定头部：

4位版本号指定IP协议版本，对IPv6来说，其值为6。

8位通信类型指示数据流通信类型或优先级，与IPv4中的TOS类似。

20位流标签用于某些对连接的服务质量有特殊要求的通信，如音频或视频等实时数据传输，可通过流标签为这些流量提供差异化的服务质量（如低延迟、高带宽）。

16位净荷长度指的是IPv6扩展头部和应用程序数据之和，不包括固定头部长度。

8位下一个包头指出紧跟IPv6固定头部后的包头类型，如扩展头（如果有的话）或某个上层协议头（如TCP、UDP、ICMP），它类似IPv4头部中的协议字段，且与IPv4头部中的协议字段相同的取值有相同的含义。

8位跳数限制和IPv4中的TTL含义相同。

IPv6用128位（16字节）表示IP地址，使得IP地址的总量达到了2${}^{128}$个，因此有人说，“IPv6使得地球上的每粒沙子都有一个IP地址”。

32位IPv4地址一般用点分十进制表示，而IPv6地址用十六进制字符串表示，如FE80:0000:0000:0000:1234:5678:0000:0012，可见IPv6地址被:分割为8组，每组2字节，IPv6还可使用零压缩法将其简写，即省略连续的、全0的组，本例用零压缩法可表示为FE80::1234:5678:0000:0012，但零压缩法对一个IPv6地址只能用一次，如本例中字节组5678后面的全零组不能再省略，否则我们将无法计算每个::之间省略了多少个全零组。

可变长的扩展头部使IPv6能支持更多选项，便于将来的扩展需要，它的长度可以是0，表示没有使用扩展头部。一个数据报可以包含多个扩展头部，每个扩展头部的类型由前一个头部（固定头部或扩展头部）中的下一个报头字段指定，一些可用的扩展头部如下表：

IPv6协议不是IPv4协议的简单扩展，而是完全独立的协议，用以太网帧封装的IPv6数据报和IPv4数据报具有不同类型字段值，IPv4的是0x800，而IPv6是0x86dd。