IP协议详解

前言

IP协议是TCP/IP协议族的核心协议，也是socket网络编程的基础之一，它为上层提供无状态、无连接、不可靠的服务。

无状态：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，接收都是相互独立的。这种服务最大缺点是无法处理乱序和重复的IP数据报。优点是简单高效，和UDP协议与HTTP协议相同，都是无状态协议。

无连接：指IP通信双方都不长久的维持对方的任何信息。这表示上层协议每次发送数据，都需要明确指定对方的IP地址。

不可靠：指IP协议不能IP数据报能准确到达接收端，只是会尽最大努力。一旦发送失败，就通知上层协议，而不会试图重发。

IPv4头部结构

下图是ip协议的包头：

各个部分的含义如下：

• 4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，其值为4，其它IPv4扩展版本则具有不同的版本号（如SIP协议和PIP协议）
• 4位头部长度：表示IP头部有多少个32bit字（4字节）。因为4位最大15，所以IP头部最长为60字节。
• 8位服务类型：3位优先级权字段（现已被忽略），4位TOS字段和1位保留字段（必须置0）.4位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1个能置为1。
• 16位总长度：指整个IP数据包的长度，字节为单位。最长65535字节，由于长度超过MTU的数据报将被分片传输，所以实际传输的长度没有达到最大值。
• 16位标识：唯一标识主机发送的每个数据报。初始值由系统随机生成，每发送一个数据报，其值加一。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标识值都相同
• 3位标志：第一位保留，第二位表示禁止分片，如果设置了该位，IP数据报长度超过MTU将被丢弃，返回错误。第三位表示更多分片，除了最后一个分片，其它都要置它为1.
• 13位分片偏移：该分片相较于原始IP数据报开始处（仅指数据部分）的偏移。实际偏移值是该值左移3位得到。因此除了最后一个分片，每个分片的数据部分长度必须是8的整数倍。
• 8位生存时间：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，该值减一，为0时被丢弃，并返回ICMP超时报文。
• 8位协议：用于区分上层协议。ICMP为1，TCP为6，UDP为17。
• 16位头部校验和：由发送端填充，接收端用反码加法校验IPv4头部是否在传输中损坏；它不是CRC，也不校验数据部分。
• 32位源端IP地址：标识数据报的发送端。在传输过程中保持不变
• 32位目的端IP地址：标识数据报的接收端。在普通转发过程中保持不变（NAT等设备可能会改写它）。
• 选项字段：可变长的可选信息，最多40字节。可用的IP选项有：
  • 记录路由：将数据包经由的所有路由器IP填入该段。
  • 时间戳：将数据报在每个路由器被转发时的时间填入该段。
  • 松散源路由选择：指定路由器IP地址列表，数据报发送过程中必须经过其中所有路由器
  • 严格源路由选择：类似上面，数据报只能经过被指定的路由器。

抓取一个TCP协议包

开启一个Ubuntu终端，通过tcpdump抓取：