Linux 高性能服务器编程：IP协议

IP协议

概述

1. 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。
2. IP头部信息出现在每个IP数据报中，用于指定IP通信的源端IP地址、目标端IP地址，指导IP分片和重组，以及指定部分通信行为。
3. IP数据报的路由和转发发生在除目标机器之外的所有主机和路由器上。它们决定了数据报是否应该转发以及如何转发。

特点

1. IP协议为上层协议提供无状态、无连接、不可靠的服务。
   1. 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数据的发送、传输和接收都是相互独立、没有上下文关系的。
      虽然IP数据报头部提供了一个标识字段用以标识一个IP数据报，但它是被用来处理IP分片和重组的，而不是用来指示接收顺序的。
   2. 无连接，指IP通信双方都不长久维持双方的任何信息。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。
   3. 不可靠，指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。然而有很多情况都能导致IP数据报发送失败。
      无论是哪种情况导致了IP数据报发送失败了，发送端的IP模块一旦检测到IP数据报发送失败了，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，就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。

IPv4

1. ipv4的头部通常为20个字节，除非含有可变长的选项部分。

2. 格式：
   1. 4位版本号：对IPv4来说，是4。
   2. 4位头部长度：标识该IP头部有多少个32位字（也就是多少个4字节）。4位能表示的最大是15，即IP头部最长是60字节。
   3. 8位服务类型：包括3位优先权，4位TOS，1位保留（0）。其中，4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。
   4. 16位总长度：整个IP数据报的长度，最大65535。长度超过MTU的数据报都将被分片传输。
   5. 16位标识：唯一地标识主机发送的每一个数据报（初始值随机，每次加1）。
   6. 3位标志：第一位保留，第二位标识禁止分片，第三位标识更多分片。
   7. 13位片偏移：分片相对原始IP数据报开始处的偏移。
   8. 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。
   9. 8位协议：区分上层协议。ICMP是1，TCP是6，UDP是17。
   10. 16位头部校验和：由发送端填充，接收端使用CRC校验数据报头部（仅校验头部）。
   11. 32位源端IP地址：数据报的发送端。
   12. 32位目的端IP地址：数据报的接收端。
   13. 选项：最多包含40个字节。包括记录路由、时间戳、松散源路由选择，严格源路由选择。

IP分片

1. 当Ip数据报的长度超过帧的MTU时，它将被分片传输。
2. 一个IP数据报的每个分片都具有自己的IP头部，它们具有相同的标识值，但具有不同的片偏移。
   并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头部的总长度字段将被设置为该分片的长度。
3. 以太网的MTU是1500字节。因此它携带的IP数据报的数据部分最多是1480字节。

4. 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路由

1. IP数据报应该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。
2. 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跳路由器。
3. IP路由策略
   1. 通过路由协议后者route命令调整路由表，使之更适应最新的网络拓扑结构，称为IP路由策略。
4. 可以使用route或者netstat查看路由表。route也可以修改路由表。
5. 关于IP地址分类：
   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。没找到就走第二步。
   2. 查找路由表中和数据报的目标IP地址具有相同网络ID的网络IP地址。如果找到，就使用该路由项。没找到就走第三步。
   3. 选择默认路由项，这通常意味着数据报的下一跳路由是网关。
6. 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。
   通过BGP、OSPF等协议来发现路径，并更新字节的路由表，是动态的、自动的更新方式。

ICMP重定向

1. 一般来说，主机只能接收ICMP重定向报文，二路由器只能发送ICMP重定向报文。

IPv6

1. 头部由40个字节的固定头部和可变长的扩展头部组成。

2. 格式：
   1. 4位版本号：对IPv6来说，是6。
   2. 8位通信类型：指示数据流通信类型或优先级
   3. 20流标签：用于对某些连接的服务质量有特殊要求的通信，比如音频或视频等实时数据传输。
   4. 16位净荷长度：Ipv6扩展头部和应用程序数据长度之和，不包括固定头部长度。
   5. 8位下一个包头：紧跟IPv6固定头部后的包头类型。
   6. 8位跳数限制：数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。
   7. 128位地址：IPv6用128位表示IP地址。