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目錄

一、IP概述

1.1 IP簡介

1.2 IP協(xié)議

1.3 IP地址

1.4 IP地址特點

1.5 IP地址表

二、IP地址及其表示方法

三、IP數(shù)據(jù)報的格式

一、IP概述

1.1 IP簡介

IP地址（Internet Protocol Address）是指互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，又譯為網(wǎng)際協(xié)議地址。

IP地址是IP協(xié)議提供的一種統(tǒng)一的地址格式，它為互聯(lián)網(wǎng)上的每一個網(wǎng)絡(luò)和每一臺主機分配一個邏輯地址，以此來屏蔽物理地址的差異。

1.2 IP協(xié)議

IP協(xié)議是為計算機網(wǎng)絡(luò)相互連接進行通信而設(shè)計的協(xié)議。在因特網(wǎng)中，它使得連接到網(wǎng)上的所有計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則，規(guī)定了計算機在因特網(wǎng)上進行通信時應(yīng)當遵守的規(guī)則。任何廠家生產(chǎn)的計算機系統(tǒng)，只要遵守IP協(xié)議就可以與因特網(wǎng)互連互通。IP協(xié)議實際上是一套由軟件程序組成的協(xié)議軟件，它把各種不同“幀”統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成“IP數(shù)據(jù)報”格式，這種轉(zhuǎn)換是因特網(wǎng)的一個最重要的特點，使所有各種計算機都能在因特網(wǎng)上實現(xiàn)互通，即具有“開放性”的特點（百度百科）。

1.3 IP地址

IP協(xié)議中還有一個非常重要的內(nèi)容，那就是給因特網(wǎng)上的每臺計算機和其它設(shè)備都規(guī)定了一個唯一的地址，叫做“IP地址”。由于有這種唯一的地址，才保證了用戶在連網(wǎng)的計算機上操作時，能夠高效而且方便地從千千萬萬臺計算機中選出自己所需的對象來。

IP地址就像是我們的家庭住址一樣，如果你要寫信給一個人，你就要知道他的地址，這樣郵遞員才能把信送到。計算機發(fā)送信息就好比是郵遞員，它必須知道唯一的“家庭地址”才能不至于把信送錯人家。只不過我們的地址是用文字來表示的，計算機的地址用二進制數(shù)字表示。（百度百科）

1.4 IP地址特點

IP地址具有以下一些重要特點。

（1）每一個IP地址都由網(wǎng)絡(luò)號和主機號兩部分組成。從這個意義上說，IP地址是一種分等級的地址結(jié)構(gòu)。分兩個等級的好處是：第一，IP地址管理機構(gòu)在分配IP地址時只分配網(wǎng)絡(luò)號（第一級），而剩下的主機號（第二級）則由得到該網(wǎng)絡(luò)號的單位自行分配。這樣就方便了IP地址的管理；第二，路由器僅根據(jù)目的主機所連接的網(wǎng)絡(luò)號來轉(zhuǎn)發(fā)分組（而不考慮目的主機號），這樣就可以使路由表中的項目數(shù)大幅度減少，從而減小了路由表所占的存儲空間以及查找路由表的時間。

（2）IP地址是標志一臺主機（或路由器）和一條鏈路的接口。當一臺主機同時連接到兩個網(wǎng)絡(luò)上時，該主機就必須同時具有兩個相應(yīng)的IP地址，其網(wǎng)絡(luò)號必須是不同的。這種主機稱為多歸屬主機（multihomed host）。由于一個路由器至少應(yīng)當連接到兩個網(wǎng)絡(luò)，因此一個路由器至少應(yīng)當有兩個不同的IP地址。這好比一個建筑正好處在北京路和上海路的交叉口上，那么這個建筑就可以擁有兩個門牌號碼。例如，北京路4號和上海路37號。

（3）一個網(wǎng)絡(luò)是指具有相同網(wǎng)絡(luò)號net-id的主機的集合，因此，用轉(zhuǎn)發(fā)器或網(wǎng)橋連接起來的若干個局域網(wǎng)仍為一個網(wǎng)絡(luò)，因為這些局域網(wǎng)都具有同樣的網(wǎng)絡(luò)號。具有不同網(wǎng)絡(luò)號的局域網(wǎng)必須使用路由器進行互連。

（4）在IP地址中，所有分配到網(wǎng)絡(luò)號的網(wǎng)絡(luò)（不管是范圍很小的局域網(wǎng)，還是可能覆蓋很大地理范圍的廣域網(wǎng)）都是平等的。所謂平等，是指互聯(lián)網(wǎng)同等對待每一個IP地址。

1.5 IP地址表

根據(jù)范圍，IP地址分為五個地址類別，如下所示。

二、IP地址及其表示方法

所謂“分類的IP地址”就是將IP地址劃分為若干個固定類，每一類地址都由兩個固定長度的字段組成，其中第一個字段是網(wǎng)絡(luò)號（net-id），它標志主機（或路由器）所連接到的網(wǎng)絡(luò)。一個網(wǎng)絡(luò)號在整個互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)必須是唯一的。第二個字段是主機號（host-id），它標志該主機（或路由器）。一臺主機號在它前面的網(wǎng)絡(luò)號所指明的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)必須是唯一的。由此可見，一個IP地址在整個互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)是唯一的。

這種兩級的IP地址可以記為：

IP地址 = {網(wǎng)絡(luò)號 + 主機號}

這里A類、B類和C類地址都是單播地址（一對一通信），是最常用的。

對主機或路由器來說，IP地址都是32位的二進制代碼。為了提高可讀性，我們常常把32位的IP地址中的每8位插入一個空格（但在機器中并沒有這樣的空格）。為了便于書寫，可用其等效的十進制數(shù)字表示，并且在這些數(shù)字之間加上一個點。這就叫做點分十進制記法（dotted decimal notation）。如下圖是一個B類IP地址的表示方法。

三、IP數(shù)據(jù)報的格式

IP數(shù)據(jù)報的格式能夠說明IP協(xié)議都具有什么功能。在TCP/IP的標準中，各種數(shù)據(jù)格式常常以32位（即4字節(jié)）為單位來描述。下圖是IP數(shù)據(jù)報的完整格式。

從上圖可看出，一個IP數(shù)據(jù)報由首部和數(shù)據(jù)兩部分組成。首部的前一部分是固定長度，共20字節(jié)，是所有IP數(shù)據(jù)報必須具有的。在首部的固定部分的后面是一些可選字段，其長度是可變的。下面介紹首部各字段的意義。

IP數(shù)據(jù)報首部的固定部分中的各字段

（1）版本　占4位，指IP協(xié)議的版本。通信雙方使用的IP協(xié)議的版本必須一致。目前廣泛使用的IP協(xié)議版本號為4（即IPv4）。

（2）首部長度　占4位，可表示的最大十進制數(shù)值是15。請注意，首部長度字段所表示數(shù)的單位是32位。因為IP首部的固定長度是20字節(jié)，因此首部長度字段的最小值是5（即二進制表示的首部長度是0101）。而當首部長度為最大值1111時（即十進制數(shù)的15），就表明首部長度達到最大值15個32位字長，即60字節(jié)。當IP分組的首部長度不是4字節(jié)的整數(shù)倍時，必須利用最后的填充字段加以填充。因此IP數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分永遠在4字節(jié)的整數(shù)倍時開始，這樣在實現(xiàn)IP協(xié)議時較為方便。首部長度限制為60字節(jié)的缺點是有時可能不夠用。但這樣做是希望用戶盡量減少開銷。最常用的首部長度是20字節(jié)（即首部長度為0101），這時不使用任何選項。

（3）區(qū)分服務(wù)　占8位，用來獲得更好的服務(wù)。這個字段在舊標準中叫做服務(wù)類型，但實際上一直沒有被使用過。只有在使用區(qū)分服務(wù)時，這個字段才起作用。

（4）總長度　總長度指首部和數(shù)據(jù)之和的長度，單位為字節(jié)。總長度字段為16位，因此數(shù)據(jù)報的最大長度為2[^16]? 1 = 65535 字。然而實際上傳送這樣長的數(shù)據(jù)報在現(xiàn)實中是極少遇到的。

我們知道，在IP層下面的每一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都規(guī)定了一個數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段的最大長度，這稱為最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）。當一個IP數(shù)據(jù)報封裝成鏈路層的幀時，此數(shù)據(jù)報的總長度（即首部加上數(shù)據(jù)部分）一定不能超過下面的數(shù)據(jù)鏈路層所規(guī)定的MTU值。例如，最常用的以太網(wǎng)就規(guī)定其MTU值是1500字節(jié)。若所傳送的數(shù)據(jù)報長度超過數(shù)據(jù)鏈路層的MTU值，就必須把過長的數(shù)據(jù)報進行分片處理。

雖然使用盡可能長的IP數(shù)據(jù)報會使傳輸效率得到提高（因為每一個IP數(shù)據(jù)報中首部長度占數(shù)據(jù)報總長度的比例就會小些），但數(shù)據(jù)報短些也有好處。每一個IP數(shù)據(jù)報越短，路由器轉(zhuǎn)發(fā)的速度就越快。為此，IP協(xié)議規(guī)定，在互聯(lián)網(wǎng)中所有的主機和路由器，必須能夠接受長度不超過576字節(jié)的數(shù)據(jù)報。這是假定上層交下來的數(shù)據(jù)長度有512字節(jié)（合理的長度），加上最長的IP首部60字節(jié)，再加上4字節(jié)的富余量，就得到576字節(jié)。當主機需要發(fā)送長度超過576字節(jié)的數(shù)據(jù)報時，應(yīng)當先了解一下，目的主機能否接受所要發(fā)送的數(shù)據(jù)報長度。否則，就要進行分片。

（5）標識（identification）　占16位。IP軟件在存儲器中維持一個計數(shù)器，每產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)報，計數(shù)器就加1，并將此值賦給標識字段。但這個“標識”并不是序號，因為IP是無連接服務(wù)，數(shù)據(jù)報不存在按序接收的問題。當數(shù)據(jù)報由于長度超過網(wǎng)絡(luò)的MTU而必須分片時，這個標識字段的值就被復制到所有的數(shù)據(jù)報片的標識字段中。相同的標識字段的值使分片后的各數(shù)據(jù)報片最后能正確地重裝成為原來的數(shù)據(jù)報。

（6）標志（flag）　占3位，但目前只有兩位有意義。

標志字段中的最低位記為MF（More Fragment）。MF＝1即表示后面“還有分片”的數(shù)據(jù)報。MF＝0表示這已是若干數(shù)據(jù)報片中的最后一個。

標志字段中間的一位記為DF（Don't Fragment），意思是“不能分片”。只有當DF＝0時才允許分片。

（7）片偏移　占13位。片偏移指出：較長的分組在分片后，某片在原分組中的相對

位置。也就是說，相對于用戶數(shù)據(jù)字段的起點，該片從何處開始。片偏移以8個字節(jié)為偏移單位。這就是說，每個分片的長度一定是8字節(jié)（64位）的整數(shù)倍。

（8）生存時間　占8位，生存時間字段常用的英文縮寫是TTL（Time To Live），表明這是數(shù)據(jù)報在網(wǎng)絡(luò)中的壽命。由發(fā)出數(shù)據(jù)報的源點設(shè)置這個字段。其目的是防止無法交付的數(shù)據(jù)報無限制地在互聯(lián)網(wǎng)中兜圈子（例如從路由器R1轉(zhuǎn)發(fā)到R2，再轉(zhuǎn)發(fā)到R3，然后又轉(zhuǎn)發(fā)到R1），因而白白消耗網(wǎng)絡(luò)資源。最初的設(shè)計是以秒作為TTL值的單位。每經(jīng)過一個路由器時，就把TTL減去數(shù)據(jù)報在路由器所消耗掉的一段時間。若數(shù)據(jù)報在路由器消耗的時間小于1秒，就把TTL值減1。當TTL值減為零時，就丟棄這個數(shù)據(jù)報。

然而隨著技術(shù)的進步，路由器處理數(shù)據(jù)報所需的時間不斷在縮短，一般都遠遠小于1秒，后來就把TTL字段的功能改為“跳數(shù)限制”（但名稱不變）。路由器在每次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報之前就把TTL值減1。若TTL值減小到零，就丟棄這個數(shù)據(jù)報，不再轉(zhuǎn)發(fā)。因此，現(xiàn)在TTL的單位不再是秒，而是跳數(shù)。TTL的意義是指明數(shù)據(jù)報在互聯(lián)網(wǎng)中至多可經(jīng)過多少個路由器。顯然，數(shù)據(jù)報能在互聯(lián)網(wǎng)中經(jīng)過的路由器的最大數(shù)值是255。若把TTL的初始值設(shè)置為1，就表示這個數(shù)據(jù)報只能在本局域網(wǎng)中傳送。因為這個數(shù)據(jù)報一傳送到局域網(wǎng)上的某個路由器，在被轉(zhuǎn)發(fā)之前TTL值就減小到零，因而就會被這個路由器丟棄。

（9）協(xié)議　占8位，協(xié)議字段指出此數(shù)據(jù)報攜帶的數(shù)據(jù)是使用何種協(xié)議，以便使目的主機的IP層知道應(yīng)將數(shù)據(jù)部分上交給哪個協(xié)議進行處理。

常用的一些協(xié)議和相應(yīng)的協(xié)議字段值如下(8)：

（10）首部檢驗和　占16位。這個字段只檢驗數(shù)據(jù)報的首部，但不包括數(shù)據(jù)部分。這是因為數(shù)據(jù)報每經(jīng)過一個路由器，路由器都要重新計算一下首部檢驗和（一些字段，如生存時間、標志、片偏移等都可能發(fā)生變化）。不檢驗數(shù)據(jù)部分可減少計算的工作量。為了進一步減小計算檢驗和的工作量，IP首部的檢驗和不采用復雜的CRC檢驗碼而采用下面的簡單計算方法：在發(fā)送方，先把IP數(shù)據(jù)報首部劃分為許多16位字的序列，并把檢驗和字段置零。用反碼算術(shù)運算(9)把所有16位字相加后，將得到的和的反碼寫入檢驗和字段。接收方收到數(shù)據(jù)報后，將首部的所有16位字再使用反碼算術(shù)運算相加一次。將得到的和取反碼，即得出接收方檢驗和的計算結(jié)果。若首部未發(fā)生任何變化，則此結(jié)果必為0，于是就保留這個數(shù)據(jù)報。否則即認為出差錯，并將此數(shù)據(jù)報丟棄。

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