IP 原理实务探密 |
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在Internet如此风行的今日，一般人所谈论的几乎是在应用方面的范畴， 很少人会去注意到Internet网路核心中非常重要的一环— IP(Internet Protocol) 网际网路协定。因此我们特别开辟此一专栏， 期望能让各位读者更进一步、从较技术的角度去了解Internet的世界。 |
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马得翔 |
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IP(Internet Protocol网 际 网 路 协 定 )， 是 在 Internet网 路 核 心 非 常 重 要 的 一 环 ， 以 OSI而 言 ， 它 是 位 於 网 路 资 料 联 结 层 (Data Link Layer)与 传 输 层 (Transport Layer)之 间 的 网 路 层 的 传 输 协 定 ． 简 单 的 说 ， 它 必 须 把 来 自 上 层 的 资 料 分 封 出 去 ， 并 且 把 来 自 下 层 网 路 的 资 料 分 析 ， 汇 总 ， 然 後 在 往 上 层 的 传 输 层 丢 去 ， 此 外 还 必 须 和 ICMP这 位 难 兄 难 弟 合 作 ， 以 期 随 时 自 我 调 整 和 监 控 网 路 。
IP网 际 网 路 协 定 ， 多 麽 酷 的 中 文 翻 译 ， 顾 名 思 义 ， 在 不 同 的 网 路 上 ， 只 要 有 了 IP 这 层 通 讯 协 定 ， 把 下 层 的 实 体 网 路 介 面 抽 象 化 ， 我 们 就 「 出 运 」 啦 ！ 它 到 底 是 怎 麽 一 回 事 呢 ？ 下 面 我 们 举 出 它 摘 要 。
它 提 供 以 下 的 服 务 :
(1) 不 可 靠 ， 非 联 结 性 的 传 输 。
(2) 绕 路 的 选 择 。
(3) 有 限 的 资 料 长 度 。
(4) 资 料 封 包 和 解 封 包 。
(5) 网 路 情 况 调 整 和 服 务 。
(6) 作 为 实 体 网 路 和 传 输 层 的 一 个 介 面 。
但 它 不 提 供 以 下 的 服 务 :
(1) 流 量 控 制 (只 提 供 一 简 易 的 做 法 )。
(2) 次 序 控 制 。
(3) 资 料 检 查 码 (仅 做 HEADER 的 检 查 码 )。
(4) 逾 时 重 送 。
(5) 资 料 重 覆 检 查 。
(6) 资 料 检 知 。
到 此 ， 我 们 已 经 点 出 IP所 提 供 的 重 要 服 务 ． 我 们 将 在 以 下 一 点 一 点 的 说 明 ； 而 它 不 提 供 的 服 务 (如 流 量 控 制 ， 次 序 控 制 等 )它 的 上 层 TCP都 有 提 供 。 所 以 有 人 说 它 是 网 路 幕 後 无 名 英 雄 ， 一 点 也 不 为 过 。 好 康 Ａ 都 被 上 层 抢 走 了 ， 剩 下 来 都 是 一 些 吃 力 不 讨 好 的 工 作 ， 谁 叫 它 是 无 名 英 雄 呢 ? 不 过 在 网 路 世 界 就 是 如 此 ， 各 层 之 间 相 互 合 作 ， 各 司 其 职 ， 没 有 谁 重 谁 轻 。
如 果 我 们 以 Ethernet来 传 资 料 ， 图 一 的 Ethernet框 架 资 料 栏 将 会 包 含 图 二 的 IP资 料 封 包 。 而 图 二 的 资 料 栏 位 将 会 包 含 上 层 图 叁 TCP/UDP的 封 包 ； 同 理 上 层 封 包 的 资 料 栏 将 会 包 含 上 上 层 的 整 个 封 包 ， 而 网 路 就 是 这 样 一 层 一 层 的 运 作 ， 封 包 绕 路 ， 直 到 到 达 彼 岸 ． 到 达 之 後 ， 在 解 封 包 ， 把 每 层 的 资 料 萃 取 出 来 ， 例 如 IP会 决 定 把 其 资 料 栏 内 的 「 封 包 」 丢 给 TCP、 UDP或 ICMP， 然 後 各 层 在 各 忙 各 的 。 就 这 样 整 个 封 包 就 可 在 网 路 上 互 相 交 换 ， 传 递 讯 息 了 。
在 解 释 完 封 包 之 後 ， 让 我 们 回 头 看 看 图 一 、 图 二 各 栏 位 的 意 义 。
● 以 太 框 架 介 绍 ：
前 导 (Preamble)： 0与 1交 替 的 64位 元 所 组 成 ， 收 方 同 步 用 。
(1)目 地 硬 体 地 址 (destination hardware address):接 收 端 的 实 体 位 址 ， 共 48 bits． 所 谓 实 体 位 址 ， 就 是 生 产 Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ 介 面 的 硬 体 厂 商 向 IEEE所 购 买 的 一 组 连 续 地 址 ． 厂 商 在 生 产 时 ， 把 此 号 码 烧 入 即
可 ． 这 样 一 来 全 世 界 各 家 不 同 的 以 太 网 路 卡 制 造 商 的 网 路 实 体 位 址 就 不 会 冲 突 了 ．
(2)来 源 硬 体 地 址 (source hardware address):发 送 端 的 实 体 位 址 ， 也 是 48 bits． 这 里 要 注 意 的 是 ， 网 路 实 体 位 址 是 和 网 际 位 址 （ IP Ａ Ｄ Ｄ Ｒ Ｅ Ｓ Ｓ ） 是 不 同 的 ． 简 单 的 说 ， 实 体 位 址 是 给 网 路 卡 用 的 ， 网 际 位
址 是 给 IP 用 的 ．
(3)框 架 型 态 (frame type)： 16位 元 用 来 识 别 资 料 的 型 态 ．
(4)框 架 资 料 (frame data)： 上 层 传 来 的 资 料 必 须 介 於 368 bits(46 bytes)和 12000 bits(1500 bytes)之 间 ． 换 句 话 说 IP 丢 给 ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ 驱 动 程 式 的 封 包 不 可 大 於 1500个 byte． 在 这 里 我 们 即 点 出 了 为 什 麽 WINSOCKET的 MTU
（ 最 大 传 输 单 位 ） 内 定 值 是 1500位 元 组 ． 试 想 一 下 ， 我 们 在 每 传 秒 10 mega位 元 的 以 太 网 路 上 我 们 每 次 只 能 丢 小 於 1500个 位 元 组 (12 K位 元 )的 封 包 给 Ethernet， 实 在 蛮 可 怜 的 ． 当 然 这 在 高 速 网 路 中 也 是 不 适 用 的 ．
(5)循 环 码 (Cyclic Redundancy Check， CRC)： 用 以 侦 测 资 料 传 输 过 程 中 ， 资 料 是 否 会 发 生 错 误 ． 用 软 体 或 硬 体 去 实 作 均 可 ．
简 单 吧 ! 经 由 以 太 网 路 卡 传 出 和 收 到 的 资 料 就 是 如 此 ， 看 起 来 笨 笨 的 ， 不 过 确 实 如 此 ． 现 在 ， 让 我 们 再 来 看 看 IP 的 资 料 格 式 ．
(1)版 本 (Version)： 4个 bit． 目 前 最 新 的 版 本 是 4， 1989年 5月 制 订 ．
(2)标 头 长 (Internet Header Length)： 4个 bit． 以 32个 位 元 为 单 位 ． 如 果 无 IP选 项 的 话 ， 它 的 值 为 5（ 即 最 小 值 ） ． 细 心 的 读 者 自 己 算 算 看 ．
(3)服 务 型 态 (Service Type)： 8个 bit． 传 给 路 由 器 或 闸 道 器 ， 我 们 所 希 望 的 传 输 类 型 ． 共 分 叁 种 1. D-低 延 迟 2. T-高 吞 吐 率 3. R-高 可 靠 性
(4)总 长 度 (Total Length)： 16个 bit． 所 允 许 的 最 大 长 度 为 2^16-1=65535 (表 头 加 上 资 料 总 长 )．
(5)识 别 字 (Identification)： 16个 bit． 资 料 分 割 後 ， 当 成 识 别 码 用 ．
(6)旗 标 (Flag)： 3个 bit． 指 示 是 否 可 分 割 ．
(7)分 段 差 距 值 (Fragment)： 13个 bit． 资 料 被 分 段 後 ， 此 分 段 在 原 资 料 流 的 位 址 ．
(8)存 活 时 间 (Time to live)： 8个 bit． 以 秒 为 单 位 ， 表 示 IP预 测 此 封 包 可 在 网 路 上 的 存 活 时 间 ． 闸 道 器 会 把 此 资 料 传 输 的 时 间 减 去 存 活 时 间 ， 若 小 於 零 ， 则 放 弃 此 封 包 ．
(9)协 定 (Protocol)： 8个 bit． 表 示 IP上 层 的 协 定 内 容 ． 这 里 告 诉 了 IP软 体 ， 我 们 的 资 料 应 丢 那 一 层 软 体 去 处 理 ． 以 下 在 WINSOCK中 的 Protocol file都 可 找 到 ．
ip 0 icmp 1 tcp 6 udp 17
(10)标 头 检 查 码 (Header Checksum)： 16个 bit． 表 示 IP表 头 (HEADER)的 检 查 码 ． 目 前 在 Internet中 ， 网 路 共 分 五 级 ． 如 下 表 图 四 ：
A类 网 路 的 IP ADDRESS是 介 於 0.0.0.1至 128.0.0.0
B类 网 路 的 IP ADDRESS是 介 於 128.0.0.0至 192.0.0.0
C类 网 路 的 IP ADDRESS是 介 於 192.0.0.0至 224.0.0.0
D类 网 路 的 IP ADDRESS是 介 於 224.0.0.0至 240.0.0.0
E类 网 路 的 IP ADDRESS是 介 於 240.0.0.0至 255.255.255.254
#注 意 IP ADDRESS 255.255.255.255为 广 播 位 址 #
举 个 例 子 来 说 ： 若 你 的 IP ADDRESS为 140.113.207.141的 话 ， 那 在 就 是 B类 网 路 ． 而 电 脑 即 以 2进 位 来 表 示 这 个 位 址 ，
因 140=10001100 113=01110001 207=11001111 141=10001101
所以 140.113.207.141 = 10001100011100011100111110001101
就是 IP 和 IP 沟通的实际方式。
目 地 IP地 址 (Destination Address)： 32 bits． 理 由 同 上 。 所 谓 不 可 靠 性 即 是 ， 发 送 端 或 接 收 端 对 於 分 封 可 能 遗 失 ， 重 复 ， 延 迟 或 失 序 都 无 法 侦 测 或 被 通 知 ． 而 非 联 结 性 是 指 对 於 一 系 列 的 封 包 可 能 经 由 不 同 的 路 径 前 往 目 的 地 ， 其 中 有 些 能 会 遗 失 ． 而 这 就 是 给 上 层 网 路 表 现 的 机 会 了 ． TCP (Transmission Comtrol Protocol)可 靠 资 料 传 输 服 务 ， 就 因 此 诞 生 ． 它 利 用 软 体 的 技 术 ， 使 得 经 由 IP传 出 的 资 料 能 够 更 稳 定 ， 更 有 效 率 的 到 达 对 方 ． 但 IP的 非 联 结 服 务 并 非 是 不 好 的 ， 因 为 IP 在 网 路 层 有 它 的 实 际 考 量 ， 而 它 没 有 必 要 吃 力 不 讨 好 的 去 取 代 上 层 网 路 ， 而 影 响 了 整 个 网 路 传 输 的 效 能 。
另 外 由 IP表 头 中 的 总 长 度 栏 (Total Length)可 知 ， 它 最 大 一 次 可 以 丢 65535 byte． 虽 然 如 此 ， 真 正 要 传 输 时 的 大 小 还 是 得 决 定 於 下 层 网 路 (如 以 太 网 路 的 MTU=1500)， 所 以 ， IP会 把 上 层 来 的 大 块 资 料 分 割 (fragment)， 利 用 识 别 字 ， 旗 标 ， 分 段 差 距 值 来 控 制 ， 然 後 再 由 接 收 端 加 以 组 合 ， 再 丢 还 给 上 层 ． 如 此 一 来 IP就 可 以 圆 满 的 达 成 上 层 所 交 待 的 任 务 了 ． 同 样 的 ， 也 就 是 由 於 IP的 弹 性 大 ， 它 可 以 架 在 各 种 不 同 的 网 路 实 体 之 上 如 ISDN或 SLIP等 。
还 有 一 个 值 得 深 思 的 问 题 ． 那 就 是 既 然 有 了 硬 体 实 体 位 址 ， 那 干 嘛 又 多 生 出 一 个 IP ADDRESS． 这 是 因 为 要 绕 路 的 关 系 ， 多 了 IP ADDRESS， 路 由 器 或 闸 道 器 可 由 学 习 知 道 整 个 网 路 的 架 构 ， 进 而 快 速 地 把 封 包 送 至 正 确 的 地 点 ， 加 速 网 际 间 资 料 的 传 递 。
当 然 绕 路 功 能 也 是 IP必 备 的 功 能 之 一 ． 这 部 份 大 多 由 路 由 器 (ROUTER)或 闸 道 器 (GETWAY)来 帮 忙 ， 请 注 意 ， IP中 的 来 源 地 址 (source address)和 目 的 地 址 (destination address)在 绕 路 的 过 程 之 中 是 不 会 被 改 变 的 ； 如 果 被 改 变 ， 网 路 层 一 定 大 乱 ． 唯 一 可 能 被 改 变 的 是 目 地 硬 体 地 址 (destination hardware address)或 来 源 硬 体 地 址 (source hardware address)． 此 外 ， 当 然 网 路 层 中 ， 它 自 己 也 有 重 网 路 中 学 来 的 绕 路 表 ， 只 是 功 能 没 有 路 由 器 或 闸 道 器 强 大 而 矣 。
在 网 路 层 传 送 资 料 之 中 ， IP 会 利 用 ICMP 和 其 夥 办 沟 通 有 无 ． 当 然 这 是 为 了 达 到 网 路 的 稳 定 性 以 及 传 输 效 益 所 设 计 出 来 的 ， 否 则 在 茫 茫 的 网 海 当 中 ， 网 路 层 遇 到 错 误 一 直 重 送 资 料 ， 整 个 网 路 一 定 会 死 得 很 难 看 , 那 更 惶 论 架 在 IP之 上 的 通 讯 协 定 。 （ 下 一 期 将 详 细 探 讨 ICMP， 请 读 者 视 目 以 待 ）
让 我 们 对 IP作 个 小 结 ; 它 是 点 对 点 的 联 结 , 从 TCP, UDP或 ICMP取 得 资 料 ， 然 後 决 定 是 否 分 割 上 层 资 料 ， 寻 找 IP ADDRESS， 以 及 实 体 位 址 ， 然 後 选 择 路 径 ， 制 作 封 包 ， 最 後 利 用 以 太 网 路 的 驱 动 程 式 送 至 远 方 ． 同 理 当 它 收 到 资 料 时 ， 它 会 看 看 此 封 包 收 方 的 IP ADDRESS是 否 是 自 己 的 IP ADDRESS， 若 是 ， 就 往 TCP UDP或 ICMP分 封 ． 若 不 是 ， 则 帮 这 封 包 绕 路 ， 使 它 到 达 目 的 地 。
以 下 列 出 一 小 部 份 LINUX IP实 作 的 原 始 程 式 ， 希 望 读 者 更 能 体 会 出 它 的 道 理 。
第 一 个 例 子 是 IP它 如 何 建 立 封 包 标 头 。
/*
* This routine builds the appropriate hardware/IP headers for
* the routine. It assumes that if *dev != NULL then the
* Protocol knows what it's doing, otherwise it uses the
* routing/ARP tables to select a device struct.
*/
int
ip_build_header(struct sk_buff *skb, unsigned long saddr, unsigned long daddr,
struct device **dev, int type, struct options *opt, int len, int tos, int ttl)
{
static struct options optmem;
struct iphdr *iph;
struct rtable *rt;
unsigned char *buff;
unsigned long raddr;
static int count = 0;
int tmp;
if (saddr == 0)
saddr = my_addr();
DPRINTF((DBG_IP, "ip_build_header (skb=%X, saddr=%X, daddr=%X, *dev=%X,\n"
" type=%d, opt=%X, len = %d)\n",
skb, saddr, daddr, *dev, type, opt, len));
buff = skb->data;
/* See if we need to look up the device. */
if (*dev == NULL) {
rt = rt_route(daddr, &optmem);
if (rt == NULL)
return(-ENETUNREACH);
*dev = rt->rt_dev;
if (saddr == 0x0100007FL && daddr != 0x0100007FL)
saddr = rt->rt_dev->pa_addr;
raddr = rt->rt_gateway;
DPRINTF((DBG_IP, "ip_build_header: saddr set to %s\n", in_ntoa(saddr)));
opt = &optmem;
} else {
/* We still need the address of the first hop. */
rt = rt_route(daddr, &optmem);
raddr = (rt == NULL) ? 0 : rt->rt_gateway;
}
if (raddr == 0)
raddr = daddr;
/* Now build the MAC header. */
tmp = ip_send(skb, raddr, len, *dev, saddr);
buff += tmp;
len -= tmp;
skb->dev = *dev;
skb->saddr = saddr;
if (skb->sk) skb->sk->saddr = saddr;
/* Now build the IP header. */
/* If we are using IPPROTO_RAW, then we don't need an IP header, since
one is being supplied to us by the user */
if(type == IPPROTO_RAW) return (tmp);
iph = (struct iphdr *)buff;
iph->version = 4;
iph->tos = tos;
iph->frag_off = 0;
iph->ttl = ttl;
iph->daddr = daddr;
iph->saddr = saddr;
iph->Protocol = type;
iph->ihl = 5;
iph->id = htons(count++);
/* Setup the IP options. */
#ifdef Not_Yet_Avail
build_options(iph, opt);
#endif
return(20 + tmp); /* IP header plus MAC header size */
}
零 零 总 总 的 讲 了 一 大 堆 ， 我 想 各 位 读 者 对 其 应 有 更 深 一 层 的 体 会 和 实 务 . 其 实 学 网 路 并 不 难 ， 资 料 就 是 这 样 一 层 又 一 层 的 往 下 丢 和 往 上 收 . 而 IP就 是 这 位 劳 苦 功 高 的 无 名 英 雄 。
另 外 有 兴 趣 的 读 者 可 参 阅 RFC791， 1010， 815， 以 及 894可 获 得 更 详 细 的 技 术 资 料 （ 在 nctuccca或 nic.ddn.mil都 可 找 到 ） ， 或 下 列 的 参 考 书 目 （ 原 文 书 均 有 中 译 本 ） 。 咱 们 下 期 见 ！
（作者任职 於Derek Ma, Software，E-mail为DEREK_M1@tpev1.verifone.com）
图二、IP 资料封包。
图叁、OSI与Internet。
图四、IP的五类型式。