網(wǎng)絡(luò)層簡(jiǎn)介
1. 概念
為解決經(jīng)由多條鏈路的交付問(wèn)題，從而設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)層。其主要負(fù)責(zé)主機(jī)到主機(jī)的交付，并且在分組經(jīng)過(guò)路由器時(shí)負(fù)責(zé)為其選擇路由。
實(shí)際中，互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備間的連線(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜，如何從A到B會(huì)經(jīng)過(guò)很多鏈路，在這個(gè)模型中路由器擔(dān)當(dāng)交換機(jī)的作用，當(dāng)一個(gè)分組從a端口到達(dá)該路由器后，會(huì)通過(guò)另一個(gè)端口b轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)交換機(jī)或終點(diǎn)設(shè)備上。這個(gè)處理過(guò)程稱(chēng)為交換（switching）。
2. 交換
那要如何實(shí)現(xiàn)交換？
方法一，電路交換。即在報(bào)文傳遞前從源點(diǎn)到終點(diǎn)建立一條物理電路，這種技術(shù)在物理層使用，而不在網(wǎng)絡(luò)層使用。
方法二，分組交換（packet switching）。實(shí)際中網(wǎng)絡(luò)層使用的技術(shù)，報(bào)文的源點(diǎn)逐個(gè)發(fā)送被分割成一個(gè)個(gè)分組（datagram數(shù)據(jù)報(bào)）的報(bào)文，然后終點(diǎn)逐個(gè)接收，全部到齊后，再由終點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層交給上層。在分組交換網(wǎng)中，選擇路由的方式有兩種：數(shù)據(jù)報(bào)方式和虛電路方式。
3. 分組交換
3.1 無(wú)連接
開(kāi)始時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層被設(shè)計(jì)為無(wú)連接服務(wù)（connectionless service），同一個(gè)報(bào)文的分組間沒(méi)有關(guān)系，從A到B的路徑可能不同，即路由可能不同，顧到達(dá)B時(shí)順序可能會(huì)變，還可能會(huì)有部分分組丟失。
當(dāng)一個(gè)分組來(lái)到路由器時(shí)，路由器會(huì)讀取該分組的目的地址，然后查詢(xún)自己的路由表，找到輸出端口，完成分組交換操作。若該報(bào)文需要被丟棄時(shí)，讀取該分組的源地址，同樣根據(jù)路由表，向源地址發(fā)送差錯(cuò)消息。
所以在無(wú)連接分組交換網(wǎng)中，轉(zhuǎn)發(fā)判決的依據(jù)是該分組的目的地址。
3.2 面向連接
而在面向連接的服務(wù)中，同一報(bào)文中的所有分組間是有關(guān)聯(lián)的。在一個(gè)報(bào)文的所有數(shù)據(jù)報(bào)在發(fā)送前，需要建立一條虛連接。此時(shí)分組除要包含源和目的地址外，還需要有一個(gè)流標(biāo)號(hào)（flow label），就是一個(gè)虛電路標(biāo)識(shí)符（virtual circuit identifier），用來(lái)制定這些分組應(yīng)當(dāng)使用的虛路徑。
建立面向連接的服務(wù)的三個(gè)步驟：建鏈、數(shù)據(jù)傳輸、拆鏈。
建鏈階段，源點(diǎn)和終點(diǎn)間需要交換兩個(gè)分組：請(qǐng)求分組和確認(rèn)分組。請(qǐng)求分組從源點(diǎn)到終點(diǎn)，攜帶源地址和目的地址。當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求分組來(lái)到一個(gè)路由器時(shí)，路由器可以填寫(xiě)入端口、入標(biāo)號(hào)和出端口，其中入標(biāo)號(hào)是路由器自主分配的。
最終請(qǐng)求分組來(lái)到終點(diǎn)，終點(diǎn)給分配一個(gè)標(biāo)號(hào)后，發(fā)送確認(rèn)分組。當(dāng)確認(rèn)分組來(lái)到一個(gè)路由器后，路由器可以根據(jù)目的地址和源地址確認(rèn)原先已經(jīng)填寫(xiě)部分的一條路由表項(xiàng)，并將它補(bǔ)齊出標(biāo)號(hào)。最后一個(gè)路由器將確認(rèn)分組發(fā)給源點(diǎn)并附上入端口，這個(gè)入端口就是一開(kāi)始在建鏈階段生成的。
此時(shí)源點(diǎn)知道了該用哪個(gè)標(biāo)號(hào)發(fā)，終點(diǎn)知道了從哪個(gè)標(biāo)號(hào)來(lái)的，中間鏈路中的路由器知道了當(dāng)某一個(gè)標(biāo)號(hào)來(lái)時(shí)，該如何進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作。此時(shí)建鏈階段就結(jié)束了。
數(shù)據(jù)傳輸階段，某一分組來(lái)到一個(gè)路由器后，路由器根據(jù)標(biāo)號(hào)選擇出端口，并將標(biāo)號(hào)由入標(biāo)號(hào)改為出標(biāo)號(hào)，再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
拆鏈階段，由源點(diǎn)向終點(diǎn)發(fā)送拆鏈分組，終點(diǎn)向源點(diǎn)發(fā)送證實(shí)分組，依然是一個(gè)Request后Response的設(shè)計(jì)。
目前來(lái)說(shuō)，無(wú)連接服務(wù)依然占主要地位。
4. 網(wǎng)絡(luò)層各部分提供的服務(wù)
在源點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)層提供四種服務(wù)：分組化處理、查找下一跳的邏輯地址（IP）、查找下一跳的物理地址（MAC）、對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行必要的分片處理。
首先將從上層得到的報(bào)文進(jìn)行分組化處理，即增加報(bào)頭，填入一些數(shù)據(jù)，包括源地址，而目的地址由上層給出。
然后根據(jù)生成的數(shù)據(jù)報(bào)中的目的邏輯地址，通過(guò)路由表來(lái)選擇下一跳的邏輯地址，然后使用ARP（地址解析）協(xié)議在表中查找下一跳的邏輯地址和物理地址之間的映射關(guān)系。
最后由于不同的數(shù)據(jù)鏈路層對(duì)于幀的長(zhǎng)度有不同的要求，需要查找MTU（最大傳送單元）表來(lái)確定需要分割數(shù)據(jù)報(bào)。如果有分片操作，則需要將每一個(gè)分片前都增加首部，還需要在首部中填入數(shù)據(jù)以指明該數(shù)據(jù)片在整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)中的位置。
在路由器上，網(wǎng)絡(luò)層提供四種服務(wù)：檢查數(shù)據(jù)報(bào)的有效性、查找下一跳的邏輯地址、查找下一跳的物理地址、分片處理。有效性指的是首部有沒(méi)有損壞，是否被交給正確的路由器。由于轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)兩個(gè)端口，所以?xún)蓚€(gè)端口對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈路層可能不同，所以需要查詢(xún)MTU表確認(rèn)是否需要分片。
在終點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)：檢查有效性、拆包、重裝。檢查有效性后要將報(bào)文頭部去掉從而取出有效數(shù)據(jù)，當(dāng)所有的數(shù)據(jù)報(bào)文都到齊后，進(jìn)行重裝再交給上層。若重組定時(shí)器超時(shí)，則所有數(shù)據(jù)包會(huì)被銷(xiāo)毀，并發(fā)送一個(gè)差錯(cuò)報(bào)文，以提醒源點(diǎn)需要重發(fā)。
5. 不完全的實(shí)現(xiàn)
有些服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)層只是部分實(shí)現(xiàn)，或者沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。有些服務(wù)是由一些輔助協(xié)議來(lái)提供，或者通過(guò)其他之后加入的協(xié)議實(shí)現(xiàn)。
差錯(cuò)控制（error control）包括對(duì)損壞、丟失以及重復(fù)的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行檢測(cè)的機(jī)制，以及檢測(cè)后的糾錯(cuò)機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)層沒(méi)有提供真正意義上的此機(jī)制。由于網(wǎng)絡(luò)層有分片，如果有差錯(cuò)控制會(huì)比較低效。在網(wǎng)絡(luò)層報(bào)文的報(bào)頭中有校驗(yàn)和字段，不過(guò)只是針對(duì)報(bào)頭設(shè)計(jì)的，由于報(bào)頭在每個(gè)路由器上都會(huì)有數(shù)據(jù)變化，所以校驗(yàn)和也需要重新計(jì)算。輔助協(xié)議是ICMP。
流量控制（flow control）用于調(diào)整源點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)量以免接收方超載。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)層沒(méi)有考慮此功能。
擁塞控制（congestion control）是避免有過(guò)多的數(shù)據(jù)報(bào)出現(xiàn)在因特網(wǎng)中的某一個(gè)區(qū)域內(nèi)，此時(shí)某些路由器可能會(huì)丟棄一些數(shù)據(jù)報(bào)。丟失后需要重傳，結(jié)果變成滾雪球，越來(lái)越擁塞，最終系統(tǒng)崩潰。
在無(wú)連接網(wǎng)絡(luò)中，路由器會(huì)選擇那些造成擁塞的方向，在反方向的報(bào)文中設(shè)置一個(gè)bit作為擁塞警告，以通知源點(diǎn)放慢速度。ICMP同樣有擁塞控制的功能，當(dāng)有擁塞發(fā)生時(shí)，路由器會(huì)發(fā)一個(gè)特殊的扼流分組（choke packet）給源點(diǎn)。還有一種方法是給分組設(shè)定優(yōu)先級(jí)。
在面向連接網(wǎng)絡(luò)中，擁塞控制較簡(jiǎn)單?？梢酝ㄟ^(guò)建立一條額外的虛電路分壓。另一種方法是在建鏈階段提前協(xié)商，有需要建立虛電路的路由器根據(jù)自己現(xiàn)有的通信量和自己能承受的最大通信量比較，從而決定是否可以建立虛電路，以及虛電路的通信量的最大值。
服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS），主要針對(duì)對(duì)質(zhì)量有高要求的多媒體通信。大多在上層實(shí)現(xiàn)。
路由選擇（routing）。由路由選擇協(xié)議完成，幫助主機(jī)和路由器建立自己的路由表，并維護(hù)和更新這些表?？蓜澐譃閮深?lèi)：?jiǎn)尾ズ投嗖サ摹?/p>
安全性。為了在無(wú)連接的網(wǎng)絡(luò)層提供安全性，需要用另外一些虛擬層來(lái)把無(wú)連接服務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦蜻B接的服務(wù)，這個(gè)虛擬層稱(chēng)為IPSec。
IPv4地址
IPv4地址指的是version=4的IP協(xié)議所定義的邏輯地址，共32bit，它唯一地且全球地定義了一臺(tái)主機(jī)或路由器與因特網(wǎng)之間的一個(gè)連接。唯一性表現(xiàn)在每個(gè)地址只能定義一個(gè)到因特網(wǎng)的連接，若設(shè)備有兩個(gè)連接，就需要有兩個(gè)地址。全球性表現(xiàn)在任何要連接到互聯(lián)網(wǎng)的主機(jī)都必須采用的地址系統(tǒng)。地址空間為2^32。
1. IP地址的記法
二進(jìn)制記法（基2）：10000000 00001011 00000011 00011111，IPv4地址的本來(lái)面目。
十進(jìn)制記法（基256）：128.11.3.31，常用方式。
十六進(jìn)制記法（基16）：0x800B031F，常用于網(wǎng)絡(luò)編程。
若需要計(jì)算某段的地址數(shù)，可按照不同的計(jì)數(shù)法來(lái)進(jìn)行加減。
2. 分類(lèi)編址
2.1 分類(lèi)
IP地址空間分為5類(lèi)：ABCDE。
A類(lèi)共2^31個(gè)地址，占50%。
B類(lèi)共2^30個(gè)地址，占25%。
C類(lèi)共2^29個(gè)地址，占12.5%。
D類(lèi)共2^29個(gè)地址，占6.25%。
E類(lèi)共2^29個(gè)地址，占6.25%。
比例就是：8：4：2：1：1。
按照二進(jìn)制記法時(shí)，第一位是0表示A類(lèi)；否則判斷第二位是否是0，是表示B類(lèi)；否則判斷第三位是否是0，是表示C類(lèi)；否則判斷第四位是否是0，是表示D類(lèi)，否表示E類(lèi)。
按照十進(jìn)制記法時(shí)，對(duì)于第一個(gè)字節(jié)，A類(lèi)是0127；B是128191；C是192223；D是224239；E是240~255。
當(dāng)然某些特殊地址落入了A和E，是例外情況。
個(gè)人認(rèn)為二進(jìn)制記法更直觀更好記。
對(duì)于ABC三類(lèi)，IP地址可劃分為網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)（net-id）和主機(jī)標(biāo)識(shí)（host-id）。
A類(lèi)：第1個(gè)字節(jié)是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，后3個(gè)是主機(jī)標(biāo)識(shí)。
B類(lèi)：前2個(gè)字節(jié)是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，后2個(gè)是主機(jī)標(biāo)識(shí)。
C類(lèi)：前3個(gè)字節(jié)是網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，后1個(gè)是主機(jī)標(biāo)識(shí)。
2.2 地址類(lèi)和地址塊
分類(lèi)編址的一個(gè)問(wèn)題是每類(lèi)地址都被劃分為固定數(shù)目的地址塊，每個(gè)地址塊的大小是固定的，不靈活。
A類(lèi)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)是第1個(gè)字節(jié)，且第一位必為0，所以只有7bit可以定義網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，27=128理想情況可以指派給128個(gè)機(jī)構(gòu)組織使用。每個(gè)地址塊包含224個(gè)地址，也就是可以分成這么多的主機(jī)標(biāo)識(shí)。
同理，B類(lèi)有16-2=14bit表示網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，214=16384。每類(lèi)地址包含216=65536個(gè)主機(jī)標(biāo)識(shí)。
C類(lèi)有24-3=21bit表示網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，每類(lèi)地址塊有2^8=256個(gè)主機(jī)標(biāo)識(shí)。
AB被浪費(fèi)，C不夠用。
D類(lèi)只有一個(gè)地址塊，用來(lái)進(jìn)行多播。用以定義一組主機(jī)，若某個(gè)組被指派了一個(gè)D類(lèi)地址，則該組的每一個(gè)主機(jī)都會(huì)在正常地址（單播地址）的基礎(chǔ)上增加一個(gè)多播地址。
E類(lèi)只有一個(gè)地址塊，是保留地址。
2.3 兩級(jí)編址
如前所述，分類(lèi)編址中指派給一個(gè)組織的是一個(gè)地址段，有ABC類(lèi)三種。對(duì)于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有主機(jī)而言，都應(yīng)該是屬于同一個(gè)地址段的，它們之間用主機(jī)標(biāo)識(shí)表明身份。若網(wǎng)絡(luò)地址為n位，則主機(jī)地址為32-n位，n的值根據(jù)所屬ABC類(lèi)來(lái)取值8，16，24。這就是兩級(jí)編址，電話(huà)號(hào)碼分區(qū)號(hào)+本地號(hào)也是同樣道理。
一個(gè)地址塊有三要素：地址數(shù)、首地址和末地址。首先需要判斷是屬于哪一類(lèi)，從而得知n和32-n，也就可以算出地址數(shù)=2^(32-n)。首地址就是后面32-n位全為0，末地址就是全為1。
首地址被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)地址，不會(huì)指派給任何主機(jī)，而是用來(lái)代表這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。比如200.11.8.45這個(gè)地址是C類(lèi)，則n=24，所以它的網(wǎng)絡(luò)地址是200.11.8.0/24，斜杠后面是n值。
2.4 一個(gè)應(yīng)用
由于網(wǎng)絡(luò)地址是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址塊的標(biāo)識(shí)，所以它可以被用來(lái)為分組選擇路由。當(dāng)某個(gè)分組來(lái)到路由器后，路由器根據(jù)目的地址計(jì)算得到目的地址的網(wǎng)絡(luò)地址，然后查找路由表，找到對(duì)應(yīng)該網(wǎng)絡(luò)地址的端口，然后將該分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
常用的算法是使用網(wǎng)絡(luò)掩碼（network mask）。這是一個(gè)32bit的數(shù)，前n位是1，后32-n是0。ABC各對(duì)應(yīng)一個(gè)掩碼。路由器根據(jù)目的地址的類(lèi)別來(lái)選擇一個(gè)掩碼與目的地址進(jìn)行按位與運(yùn)算，從而得到網(wǎng)絡(luò)地址。
2.5 三級(jí)編址：子網(wǎng)劃分
對(duì)于AB兩類(lèi)，地址塊太大，所以擁有這兩類(lèi)的組織可以將地址塊劃分成多個(gè)較小的子地址塊，并與其他組織進(jìn)行共享。這種思想稱(chēng)為子網(wǎng)劃分，每個(gè)被劃分的子網(wǎng)都有對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)地址。這樣地址就分成了網(wǎng)絡(luò)地址、子網(wǎng)地址、主機(jī)地址三級(jí)，類(lèi)似的電話(huà)號(hào)碼可分為國(guó)家碼、地區(qū)碼、用戶(hù)碼。
之前提到的網(wǎng)絡(luò)掩碼是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址的，當(dāng)有子網(wǎng)劃分時(shí)，對(duì)于子網(wǎng)也需要有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)掩碼。子網(wǎng)由子網(wǎng)標(biāo)識(shí)和主機(jī)標(biāo)識(shí)兩部分組成，子網(wǎng)標(biāo)識(shí)增加了網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)的長(zhǎng)度，也同時(shí)減少了主機(jī)標(biāo)識(shí)的長(zhǎng)度。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成s個(gè)子網(wǎng)且每個(gè)子網(wǎng)的主機(jī)數(shù)相同時(shí)，每個(gè)子網(wǎng)標(biāo)識(shí)計(jì)算公式如下，s必須是2的乘方。log2s計(jì)算的是上圖“變化”的bit位數(shù)。
路由器此時(shí)會(huì)根據(jù)子網(wǎng)標(biāo)識(shí)來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的端口，從而到達(dá)子網(wǎng)。同樣是使用掩碼進(jìn)行與運(yùn)算。
2.6 超網(wǎng)
然而對(duì)于C網(wǎng)來(lái)說(shuō)，問(wèn)題是地址塊內(nèi)的地址數(shù)太少，需要將多個(gè)C類(lèi)地址塊合并成一個(gè)大的地址段。
所以超網(wǎng)掩碼和子網(wǎng)掩碼正好相反，若要將c個(gè)地址塊合并，則需要n-log2c來(lái)得到超網(wǎng)掩碼。
但這樣的話(huà)會(huì)帶來(lái)兩個(gè)新問(wèn)題：由于c必須是2的乘方，超網(wǎng)構(gòu)造時(shí)會(huì)有冗余。同時(shí)對(duì)于路由選擇來(lái)說(shuō)變得復(fù)雜了。
3. 無(wú)分類(lèi)編址
子網(wǎng)和超網(wǎng)的構(gòu)造并沒(méi)有從實(shí)際上解決地址耗盡的問(wèn)題，利用效率也不高，還使得地址分配和路由選擇變得更加困難。最終的解決辦法是使用更大容量的地址空間，即新的版本IPv6。臨時(shí)的解決方案是改變地址的分配方法，稱(chēng)為無(wú)分類(lèi)編址，也就是說(shuō)類(lèi)別取消了。地址塊變成了可變長(zhǎng)度的。
3.1 兩級(jí)編址
與分類(lèi)編址中的思想相同，地址被分為網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址，也稱(chēng)前綴和后綴。前綴的長(zhǎng)度n取決于地址塊的大小，取值范圍是0~32。n稱(chēng)為前綴長(zhǎng)度，32-n稱(chēng)為后綴長(zhǎng)度。
在分類(lèi)編址中，若給定一個(gè)地址，可得知它屬于哪類(lèi)從而得知它的網(wǎng)絡(luò)地址。但是在無(wú)分類(lèi)編址中，僅憑一個(gè)地址是無(wú)法確定前綴的，需要增加一個(gè)前綴長(zhǎng)度n，放在地址后面，用斜線(xiàn)隔開(kāi)它們，稱(chēng)為斜線(xiàn)記法，正式名稱(chēng)是無(wú)分類(lèi)域間路由選擇（classless interdomain routing）或CIDR記法。由此也可以得到對(duì)應(yīng)的掩碼是多少。
某個(gè)地址塊內(nèi)的地址數(shù)同樣是2^(32-n)。而首地址則是這個(gè)地址塊內(nèi)的任意地址與掩碼的按位與的結(jié)果。
舉例110.23.120.14/20，求這個(gè)地址塊的三要素：首地址、末地址、地址數(shù)。地址數(shù)=2^（32-20）=4096。因?yàn)?0>16&&20<24，所以前兩個(gè)字節(jié)保持不變，第四個(gè)字節(jié)歸0，主要是求第三個(gè)字節(jié)。120的2進(jìn)制表示是0111 1000，前綴長(zhǎng)度是20，所以在第三個(gè)字節(jié)中，只有前四個(gè)bit是屬于前綴的，后面的都要?dú)w0，所以就可以得知首地址是110.23.112.0/20，而末地址就是后面全置1，是110.23.127.255。
3.2 地址塊的分配
分配地址塊三原則：
1.申請(qǐng)的地址數(shù)N必須是2的乘方。主要是為了使前綴長(zhǎng)度n是一個(gè)整數(shù)。
2.對(duì)于一個(gè)地址塊來(lái)說(shuō)，根據(jù)地址數(shù)就可以求出前綴長(zhǎng)度的值。其中1和2是互相牽制的。
3.必須是地址空間中連續(xù)的未分配地址才能被分配給申請(qǐng)的地址塊。同時(shí)選擇的起始地址必須能夠被地址塊的地址數(shù)整除。如果不能整除，根據(jù)1和2的約束，可以推測(cè)出若使用該起始地址，地址塊內(nèi)的地址數(shù)一定小于申請(qǐng)的地址數(shù)。
分類(lèi)編址是無(wú)分類(lèi)編址的一個(gè)特例，如ABC類(lèi)的前綴長(zhǎng)度分別是8，16，24，可以直接轉(zhuǎn)換成無(wú)分類(lèi)編址。
3.3 子網(wǎng)劃分
與分類(lèi)編址中的子網(wǎng)劃分類(lèi)似。
子網(wǎng)設(shè)計(jì)的三原則：
1.每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的地址數(shù)應(yīng)當(dāng)是2的乘方。
2.每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的前綴長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)是如下所示，其中N是總地址數(shù)，Nsub是每個(gè)子網(wǎng)的地址數(shù)，n是原先的前綴長(zhǎng)度：
3.每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的起始地址應(yīng)當(dāng)能夠被它的地址數(shù)整除。遵循這一原則，需要首先為大的子網(wǎng)絡(luò)指派地址。
舉例起始地址是14.24.74.0/24的地址塊，需要分配三個(gè)地址塊，地址數(shù)分別是120，60，10。
首先該地址塊共有2^（32-24）=256個(gè)地址，首地址是14.24.74.0/24，末地址是14.24.74.255。
然后按照各子網(wǎng)的地址數(shù)從大到小分配。第一個(gè)子網(wǎng)需要120個(gè)地址，不是2的乘方，增加到128，是2的7次方，可知該子網(wǎng)的前綴長(zhǎng)度是24+1=25，其實(shí)也可以用32-7=25算出。首地址是14.24.74.0/25，末地址是14.24.74.127/25。
然后是第二個(gè)子網(wǎng)需要60個(gè)，補(bǔ)齊到64，是2的6次方，前綴是32-6=26。首地址是14.24.74.128/26，末地址是14.24.74.191/26。
最后是第三個(gè)子網(wǎng)需要10個(gè)，補(bǔ)齊到16，是2的4次方，前綴是32-4=28。首地址是14.24.74.192/28，末地址是14.24.74.207/28。
4. 特殊地址
分類(lèi)編址中某些地址被用作特殊用途，無(wú)分類(lèi)編址繼承了部分策略。
全0地址，0.0.0.0/32。被保留用于某主機(jī)不知道自己的IPv4地址，但需要發(fā)送一個(gè)IPv4分組時(shí)。通常是用在主機(jī)正在啟動(dòng)的時(shí)候。此時(shí)主機(jī)為了得到IPv4地址，向DHCP服務(wù)器發(fā)送一個(gè)IPv4分組，并用全0地址作為源地址，二用受限廣播地址作為目的地址。
全1地址：受限廣播地址，255.255.255.255/32。被保留用作當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的受限廣播地址。一個(gè)主機(jī)想要將報(bào)文發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的所有主機(jī)，可使用此地址作為IPv4分組中的目的地址，但是路由器會(huì)將此類(lèi)地址的分組忽略，這樣廣播只局限在本地網(wǎng)絡(luò)中。
環(huán)回地址，127.0.0.0/8，用作測(cè)試機(jī)器的軟件。使用時(shí)，分組不會(huì)離開(kāi)機(jī)器，只是簡(jiǎn)單地由協(xié)議軟件返回。此地址只能用作目的地址。如ping程序可以使用此地址測(cè)試IPv4軟件是否接受和處理分組?？蛻?hù)進(jìn)程可以用此進(jìn)程給本機(jī)上的服務(wù)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)報(bào)文。
專(zhuān)用地址，這些地址不會(huì)在全球被識(shí)別。要么用于隔絕其他網(wǎng)絡(luò)的情況下，要么就用于具有網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)的連接（NAT）。包括10.0.0.0/8，172.16.0.0/12，192.168.0.0/16，169.254.0.0/16。
多播地址，224.0.0.0/4。
此外每個(gè)地址塊中有些地址有著特殊用途的，但是此機(jī)制只是推薦不作強(qiáng)制使用。如地址塊的首地址定義為網(wǎng)絡(luò)地址。如地址塊的末地址可用作直接廣播地址，路由器會(huì)用這個(gè)地址發(fā)送給某個(gè)特定網(wǎng)絡(luò)上的所有主機(jī)，此地址只能作目的地址。
5. NAT
又有新問(wèn)題：分配的地址段定死了，若某用戶(hù)需要增加地址，則之前分配給他的地址段的前后均已使用，無(wú)法擴(kuò)容。但是在一個(gè)小型網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)時(shí)間只有一部分計(jì)算機(jī)需要同時(shí)接入因特網(wǎng)，也就是說(shuō)，分配的地址數(shù)可以小于網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)數(shù)。
在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，可以使用專(zhuān)用地址來(lái)進(jìn)行內(nèi)部通信，然后全球通信使用分配的地址。
網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（network address translation，NAT）可用于提供在專(zhuān)用地址和全球地址間的轉(zhuǎn)換，同時(shí)也支持虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。一般網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一個(gè)具有NAT軟件的路由器與全球網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)外出的分組通過(guò)此路由器時(shí)，源地址被換成全球NAT地址，當(dāng)進(jìn)入的分組通過(guò)此路由器時(shí)，目的地址被換成相應(yīng)的內(nèi)部專(zhuān)用地址。
NAT路由器使用轉(zhuǎn)換表來(lái)解決地址轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)問(wèn)題。
簡(jiǎn)單的方法，一個(gè)專(zhuān)用地址映射一個(gè)全球地址，當(dāng)發(fā)送時(shí)將專(zhuān)用地址替換成全球地址，并記錄在表中；當(dāng)接受時(shí)根據(jù)表內(nèi)記錄，將全球地址替換成專(zhuān)用地址。但是有問(wèn)題：通信必須總是由專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)發(fā)起，不能運(yùn)行服務(wù)器程序來(lái)為網(wǎng)絡(luò)之外的客戶(hù)端提供服務(wù)；一臺(tái)主機(jī)不能同時(shí)訪問(wèn)兩個(gè)外部服務(wù)器程序；兩臺(tái)主機(jī)也不能同時(shí)訪問(wèn)一個(gè)相同的外部服務(wù)器程序。
為了允許多對(duì)多的映射關(guān)系，需要在轉(zhuǎn)換表中增加更多內(nèi)容，此時(shí)表內(nèi)有五部分：專(zhuān)用地址，專(zhuān)用端口，外部地址，外部端口，傳輸層協(xié)議。增加專(zhuān)用端口用以更好的區(qū)分，那么同時(shí)使用的專(zhuān)用端口就不可以相同，必須是唯一的。
IP分組的交付和轉(zhuǎn)發(fā)
交付指的是在網(wǎng)絡(luò)層的控制下，底層各網(wǎng)絡(luò)對(duì)分組的處理方式，包括直接交付和間接交付。轉(zhuǎn)發(fā)指的是把分組交付到下一站的方式，包括基于分組目的地址的轉(zhuǎn)發(fā)和基于附加在分組上的標(biāo)記的轉(zhuǎn)發(fā)。
1. 交付
直接交付：分組的重點(diǎn)是一臺(tái)與交付者連接在同一網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)。通常發(fā)生在源點(diǎn)和終點(diǎn)屬于同一物理網(wǎng)絡(luò)，或者最后一個(gè)路由器與目的主機(jī)之間。
發(fā)送通過(guò)提取終點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址（用掩碼），然后與自己所連接的網(wǎng)絡(luò)的地址比較，若匹配則是直接交付。此時(shí)，發(fā)送方可直接通過(guò)目的IP地址找出對(duì)應(yīng)的MAC地址，然后網(wǎng)絡(luò)層將IP和MAC地址都交給數(shù)據(jù)鏈路層，完成實(shí)際交付。IP和MAC地址間的映射通常由ARP實(shí)現(xiàn)。
間接交付：源點(diǎn)和終點(diǎn)不在同一網(wǎng)絡(luò)上。間接交付原理上是多個(gè)直接交付。發(fā)送方使用目的IP地址和路由表來(lái)查找下一跳路由的IP地址，同樣是使用ARP找到對(duì)應(yīng)的MAC地址，然后進(jìn)行交付。這樣一步一步，到達(dá)終點(diǎn)。
2. 轉(zhuǎn)發(fā)
2.1 基于目的地址的轉(zhuǎn)發(fā)
這是一種傳統(tǒng)方式+當(dāng)前主流，適用于無(wú)連接的協(xié)議，此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)的基礎(chǔ)是IP數(shù)據(jù)報(bào)的目的地址。路由器主要通過(guò)路由表來(lái)判斷如何轉(zhuǎn)發(fā)。路由表有多種構(gòu)造方法。
基于路由的路由表：分組由A到B，需要將經(jīng)過(guò)的所有結(jié)點(diǎn)均寫(xiě)入路由表。
下一跳方法：路由表中只保存下一跳的地址，而不是保留完整路由的信息。
特定網(wǎng)絡(luò)方法：另一種簡(jiǎn)化查找過(guò)程的方法，此時(shí)路由表不是對(duì)連接在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)主機(jī)都設(shè)置一個(gè)表項(xiàng)，而是只用一個(gè)表項(xiàng)來(lái)定義目的網(wǎng)絡(luò)本身的地址。
特定主機(jī)方法：正好與特定網(wǎng)絡(luò)方法相反，目的主機(jī)的地址在路由表內(nèi)都要給出。這樣可以給特定的目的主機(jī)指定路由，主要用在像檢查路由或提供安全措施這樣的特殊情況下。
默認(rèn)方法：A連接的網(wǎng)絡(luò)上有兩個(gè)路由器R1和R2，其中經(jīng)過(guò)R1可到到B，經(jīng)過(guò)R2可到達(dá)網(wǎng)絡(luò)其余部分。此時(shí)主機(jī)A的路由表就不需要把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都羅列出來(lái)，而是除去到達(dá)B之外，其余路由均用一個(gè)成為默認(rèn)的表項(xiàng)來(lái)表示，通常定義網(wǎng)絡(luò)地址為0.0.0.0。
2.1.1 使用分類(lèi)編址時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)
2.1.1.1 無(wú)子網(wǎng)劃分的轉(zhuǎn)發(fā)
使用分類(lèi)編址時(shí)，全球互聯(lián)網(wǎng)中絕大多數(shù)路由器都沒(méi)有涉及子網(wǎng)劃分。子網(wǎng)劃分是在一個(gè)組織內(nèi)部進(jìn)行的。此時(shí)一個(gè)典型的轉(zhuǎn)發(fā)模塊對(duì)于每種單播類(lèi)型（ABC）各對(duì)應(yīng)一張表，若有多播，則需要一張對(duì)應(yīng)處理D類(lèi)的表。
每張路由表的三要素：
1.目的網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)地址，此時(shí)使用的是特定網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)。
2.下一跳地址，間接交付時(shí)告訴分組應(yīng)當(dāng)交付到的路由器，直接交付時(shí)為空。
3.接口號(hào)，定義分組應(yīng)當(dāng)從哪個(gè)輸出卡發(fā)送出去。
所以最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景如下。從分組中提取目的IP地址，判斷類(lèi)別（ABC，若DE則走另外流程），從而得到網(wǎng)絡(luò)地址，然后到找到對(duì)應(yīng)類(lèi)別的路由表，找到網(wǎng)絡(luò)地址相對(duì)應(yīng)的下一跳IP地址和接口號(hào)，再通過(guò)ARP協(xié)議找到下一跳IP地址映射的MAC地址。如果沒(méi)有找到對(duì)應(yīng)的下一跳IP地址，則使用默認(rèn)的。
2.1.1.2 有子網(wǎng)劃分的轉(zhuǎn)發(fā)
處理子網(wǎng)劃分的路由器不是在該組織站點(diǎn)的邊界上，就是在站點(diǎn)邊界的里面。如果使用了可變長(zhǎng)度的子網(wǎng)劃分，則需要多張路由表，否則只需要一張。
最簡(jiǎn)單的場(chǎng)景如下。從分組中提取目的IP地址，并同子網(wǎng)掩碼（子網(wǎng)劃分是不可變長(zhǎng)度的，所以子網(wǎng)掩碼是固定的）進(jìn)行按位與運(yùn)算，得到子網(wǎng)地址，在路由表中查找，得到下一跳地址和接口號(hào)，然后通過(guò)ARP找到下一跳的MAC地址。找不到下一跳地址的則使用默認(rèn)的表項(xiàng)。
2.1.2 使用無(wú)分類(lèi)編址時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)
無(wú)分類(lèi)編址時(shí)，地址空間是完整的，沒(méi)有劃分類(lèi)別。所以為了找到目的地址的網(wǎng)絡(luò)地址，需要在路由表中包含掩碼（/n），所以無(wú)分類(lèi)編址的路由表至少有四列。
應(yīng)用時(shí)，從上到下依次取每個(gè)表項(xiàng)的掩碼，去和目的地址做按位與運(yùn)算，若和網(wǎng)絡(luò)地址相符合，就可得到下一跳地址和接口。找不到符合的則使用默認(rèn)的表項(xiàng)。
如果路由表的規(guī)模過(guò)大，可能會(huì)造成搜索時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
一種方法是將臨近的幾個(gè)地址塊聚合成一個(gè)大的地址塊，由R1來(lái)區(qū)分具體是哪個(gè)地址塊，而與R1鏈接的R2則只在路由表中記錄到這個(gè)大的地址塊的網(wǎng)絡(luò)地址就可以了。這種方法稱(chēng)為地址聚合。
另一個(gè)需要注意的原則是最長(zhǎng)掩碼匹配，此原則指出路由表要按照從最長(zhǎng)掩碼到最短掩碼來(lái)排序，如/27，/26，/25。相當(dāng)于是先精確匹配，再模糊匹配。當(dāng)然這樣搜索還是在列表中按序搜索，如果想要減少查找時(shí)間，一種解決辦法是改變查找的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不使用列表而是諸如樹(shù)或二叉樹(shù)之類(lèi)。
還有一種方法是多級(jí)路由選擇，在路由表中建立分等級(jí)概念。類(lèi)似于分類(lèi)編址中的有子網(wǎng)劃分的算法，不過(guò)此時(shí)等級(jí)的劃分是無(wú)限制的。
還有就是可以依據(jù)地理上的分布來(lái)進(jìn)行表項(xiàng)的聚合。
2.2 基于標(biāo)記的轉(zhuǎn)發(fā)
比基于目的地址的轉(zhuǎn)發(fā)簡(jiǎn)單，路由表中只需記錄接口和下一個(gè)標(biāo)記。當(dāng)一個(gè)分組到達(dá)一個(gè)路由器時(shí)，根據(jù)攜帶的標(biāo)記，在路由表中按此標(biāo)記進(jìn)行索引，直接可得到接口和下一個(gè)標(biāo)記。
IPv4分組格式
IP是一種不可靠的無(wú)連接數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。如果可靠性很重要，需要結(jié)合可靠的協(xié)議如TCP配合使用。
1. 數(shù)據(jù)報(bào)
網(wǎng)絡(luò)層的分組稱(chēng)為數(shù)據(jù)報(bào)datagram。IPv4數(shù)據(jù)報(bào)格式如圖。首部的長(zhǎng)度是20~60byte，包含有關(guān)路由選擇和交付的信息。習(xí)慣上，在TCP/IP中都是以4byte為一段來(lái)表示首部。
版本（VER）：共4bit。目前版本是4，將來(lái)可能會(huì)可以使用6。IP軟件根據(jù)這個(gè)字段來(lái)判斷該數(shù)據(jù)報(bào)是否和自己的版本相同。
首部長(zhǎng)度（HLEN）：共4bit。單位是4byte，因?yàn)槭撞块L(zhǎng)度是2060byte，所以該字段的取值是512。
服務(wù)類(lèi)型：共8bit。指明了該如何處理數(shù)據(jù)報(bào)。之前定義了數(shù)據(jù)報(bào)的優(yōu)先級(jí)和服務(wù)類(lèi)型。
新的解釋是，定義了一組區(qū)分服務(wù)，前6bit是碼點(diǎn)子字段，后2bit保留。
當(dāng)最右邊的3位是0時(shí)，最左邊3位定義為優(yōu)先級(jí)（與原來(lái)兼容），此優(yōu)先級(jí)定義了在出現(xiàn)一些問(wèn)題（如擁塞）時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)的優(yōu)先級(jí)。
當(dāng)最右邊的3位非全0時(shí)，6bit定義了56 （64-8）種服務(wù)。類(lèi)別1，碼點(diǎn)是XXXXX0，是由因特網(wǎng)管理機(jī)構(gòu)（IETF）指派的優(yōu)先級(jí)，共24種。類(lèi)別2，碼點(diǎn)是XXXX11，由本地管理機(jī)構(gòu)指派的優(yōu)先級(jí)，16種。類(lèi)別3，碼點(diǎn)是XXXX01，臨時(shí)或試驗(yàn)的指派，16種。
總長(zhǎng)度： 共16bit。單位是byte，定義數(shù)據(jù)報(bào)報(bào)頭+數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度?？赏茢?，IP數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度范圍是2^16-1=65535byte，其中還包括20~60byte的首部。如果物理網(wǎng)絡(luò)不能把數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀，則需要分片操作。
某些時(shí)候，封裝在數(shù)據(jù)報(bào)中除了首部、數(shù)據(jù)外，還有一些填充，如以太網(wǎng)協(xié)議對(duì)幀的范圍有46~1500byte的要求，所以用此字段可以識(shí)別出哪些是數(shù)據(jù)，哪些是填充。
標(biāo)識(shí)：16bit。
標(biāo)志：3bit。
分片偏移：13bit。以上三類(lèi)用于分片，詳見(jiàn)下一節(jié)。
生存時(shí)間：8bit。數(shù)據(jù)報(bào)不可以一直在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，否則會(huì)造成浪費(fèi)。之前的設(shè)計(jì)是一個(gè)時(shí)間戳，經(jīng)過(guò)路由器進(jìn)行遞減，然而所有路由器不可能進(jìn)行時(shí)鐘同步，總的耗費(fèi)時(shí)間也不好估計(jì)。
當(dāng)前此字段設(shè)置成數(shù)據(jù)報(bào)所經(jīng)過(guò)的最大跳數(shù)（路由器），數(shù)值大約是任意兩臺(tái)主機(jī)間的最大路由器數(shù)的2倍，沒(méi)經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器要減一。當(dāng)為0時(shí)，路由器要拋棄該數(shù)據(jù)報(bào)。
另一個(gè)用途是源點(diǎn)限制分組的轉(zhuǎn)發(fā)范圍，如設(shè)置成1則該分組只能在局域網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)。到達(dá)第一個(gè)路由器時(shí)就會(huì)變?yōu)?被拋棄。
協(xié)議：8bit。定義了此IP層服務(wù)的高層協(xié)議，指明了此分組必須交付給哪個(gè)最終目的協(xié)議。1代表ICMP，2代表IGMP，6代表TCP，17代表UDP，89代表OSPF。
首部校驗(yàn)和：16bit。
源地址：32bit。此字段始終不變。
目的地址：32bit。此字段始終不變。
選項(xiàng)+填充：0~40byte。首部此時(shí)共有20byte，若某首部的長(zhǎng)度大于20byte，則說(shuō)明后續(xù)有該字段。
2. 分片
路由器會(huì)從收到的幀中拆解出IP報(bào)文，然后再封裝成另一個(gè)幀發(fā)送。接受幀的格式與長(zhǎng)度與經(jīng)過(guò)的物理網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議有關(guān)，發(fā)送幀的格式與長(zhǎng)度與將要經(jīng)過(guò)的物理網(wǎng)絡(luò)使用的協(xié)議有關(guān)。
不管是什么物理網(wǎng)絡(luò)，一定會(huì)對(duì)經(jīng)過(guò)幀的最大長(zhǎng)度做出限制，出去幀的首部和尾部，剩下的對(duì)于IP報(bào)文的限制來(lái)說(shuō)，稱(chēng)為MTU。如以太網(wǎng)局域網(wǎng)的這個(gè)值是1500byte。
由于IP數(shù)據(jù)報(bào)的最大長(zhǎng)度為65535byte，若物理網(wǎng)絡(luò)的MTU比此值小，則需要對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行分片（fragmentation）。
源點(diǎn)通常不會(huì)分片，因?yàn)樵趥鬏攲右呀?jīng)把數(shù)據(jù)劃分成IP和源點(diǎn)使用的數(shù)據(jù)鏈路層可接納的大小。分片后首部大部分相同，有些字段會(huì)變化。若已分片的數(shù)據(jù)報(bào)遇到更小MTU的網(wǎng)絡(luò)，還會(huì)再進(jìn)行分片。
分片可以在源點(diǎn)或途中的路由器中進(jìn)行，但重裝只能在墓地主機(jī)上進(jìn)行。一方面現(xiàn)階段IP是無(wú)連接的，各分組路由不同，中途無(wú)法重裝。另一方面若要做的話(huà)會(huì)降低效率。
分片時(shí)，首部的必要部分必須復(fù)制到所有分片，選項(xiàng)字段可以選擇不復(fù)制。標(biāo)志、分片偏移、總長(zhǎng)度需要改變。校驗(yàn)和需要重新計(jì)算。也就是說(shuō)，只有數(shù)據(jù)報(bào)中的數(shù)據(jù)是分片的。
三個(gè)分片相關(guān)字段：
標(biāo)識(shí)（identification）：16bit。此標(biāo)識(shí)和源IP地址必須唯一確定數(shù)據(jù)報(bào)。IP協(xié)議使用計(jì)數(shù)器來(lái)生成標(biāo)識(shí)。數(shù)據(jù)報(bào)分片時(shí)，該字段要復(fù)制到所有分片中。故所有分片均有相同的標(biāo)識(shí)，也是原始的數(shù)據(jù)報(bào)的標(biāo)識(shí)號(hào)。在終點(diǎn)時(shí)用于重裝數(shù)據(jù)報(bào)。
標(biāo)識(shí)（flag）：3bit。
第1bit保留。
第2bit稱(chēng)為“不分片”位，為1則機(jī)器不可對(duì)該數(shù)據(jù)報(bào)分片。若無(wú)法通過(guò)任何物理網(wǎng)絡(luò)發(fā)送該數(shù)據(jù)報(bào)，則需要丟棄，并向源點(diǎn)發(fā)送ICMP差錯(cuò)報(bào)文。為0說(shuō)明可分片。
第3bit是“還有分片”位，為1表示這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)不是最后的分片，為1表示是最后的分片或者是唯一分片，用于重裝時(shí)的判斷。
分片偏移：13bit。表示分片在整個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)中的相對(duì)位置，并且是按照原始數(shù)據(jù)的偏移量，單位是8byte。以8byte為單位也迫使數(shù)據(jù)報(bào)沒(méi)進(jìn)行一次分片，第一個(gè)分片的字節(jié)數(shù)量一定能夠被8除盡。
當(dāng)二次分片時(shí)，分片偏移也是永遠(yuǎn)相對(duì)于原始數(shù)據(jù)的。
在終點(diǎn)進(jìn)行重裝的算法如下：
0.依據(jù)標(biāo)識(shí)來(lái)講分片歸類(lèi)。
1.依據(jù)第一個(gè)分片的分片偏移字段值為0來(lái)選出第一個(gè)分片。
2.把第一個(gè)分片的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度除以8，就是第二個(gè)分片的分片偏移值。
3.把第一個(gè)和第二個(gè)分片的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度除以8，就是第三個(gè)分片的分片偏移值。
4.以此類(lèi)推，直到看到一個(gè)分片的“還有分片”位為0，即為最后一個(gè)分片。
3. 選項(xiàng)
IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部固定部分是20byte，可變部分是0~40byte。選項(xiàng)部分可用于網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和排錯(cuò)。
如圖所示，選項(xiàng)的格式是：1byte的類(lèi)型字段，1byte的長(zhǎng)度字段，可變長(zhǎng)度的值字段。這三個(gè)字段經(jīng)常被稱(chēng)為T(mén)LV（type-length-value）。
類(lèi)型：8bit，包括三個(gè)子字段。
1.復(fù)制：1bit?？刂七x項(xiàng)在分片是否出現(xiàn)，為0則必須且只須復(fù)制到第一個(gè)分片，為1復(fù)制到所有分片。
2.類(lèi)別：2bit。定義選項(xiàng)的一般用途。00表示用于數(shù)據(jù)報(bào)的控制。10表示用于排錯(cuò)和管理。其余未定義。
3.編號(hào)：5bit。定義了選項(xiàng)的類(lèi)型。目前僅使用了6類(lèi)。
長(zhǎng)度：8bit。定義選項(xiàng)的總長(zhǎng)度?？梢圆怀霈F(xiàn)。
值：包含某些特定選項(xiàng)所需的數(shù)據(jù)?？梢圆怀霈F(xiàn)。
6種選項(xiàng)類(lèi)型中，2種是單字節(jié)選項(xiàng)，不需要長(zhǎng)度和值字段。其余均需要長(zhǎng)度和值字段，是多字節(jié)選項(xiàng)。
無(wú)操作選項(xiàng)：1byte。用作選項(xiàng)間的填充，以便于對(duì)齊。
選項(xiàng)結(jié)束選項(xiàng)：1byte。用于選項(xiàng)字段結(jié)束的填充，只能作最后一個(gè)選項(xiàng)且只能用一次。接收器根據(jù)此選項(xiàng)來(lái)開(kāi)始操作凈荷數(shù)據(jù)。也就是說(shuō)如果對(duì)齊選項(xiàng)需要超過(guò)1個(gè)字節(jié)，那么必須先填充一些無(wú)操作選項(xiàng)，再在最后加一個(gè)選項(xiàng)結(jié)束選項(xiàng)。
記錄路由選項(xiàng)：記錄處理數(shù)據(jù)報(bào)的因特網(wǎng)路由器?？梢粤谐鲎疃?個(gè)路由器的IP地址，算法是這樣的：數(shù)據(jù)報(bào)選項(xiàng)部分是40byte，刨除類(lèi)型和長(zhǎng)度字段2byte，剩余38byte，而一個(gè)IP地址需要4byte，那么最大可填入9個(gè)IP地址。
此時(shí)在值字段中，需要引入一個(gè)指針字段用于表示第一個(gè)空項(xiàng)的偏移量，即指向第一個(gè)可用的空項(xiàng)。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)離開(kāi)源點(diǎn)時(shí)，這些IP地址字段都是空的，指針字段的值為4，指向第一個(gè)空字段。在經(jīng)過(guò)路由器時(shí)，路由器會(huì)比較長(zhǎng)度字段和指針字段，若指針字段大于長(zhǎng)度值，則選項(xiàng)已滿(mǎn)，不做改變。否則，路由器要在當(dāng)前空字段中填入自己的出口IP地址，然后再把指針字段+4。
嚴(yán)格路由選項(xiàng)：被源點(diǎn)用來(lái)預(yù)先制定數(shù)據(jù)報(bào)在因特網(wǎng)中傳送時(shí)的路由。若指定了該選項(xiàng)，則數(shù)據(jù)報(bào)就必須經(jīng)過(guò)在選項(xiàng)中定義的所有路由器。若某路由器IP地址不在表中，則一定不通過(guò)該路由器。若通過(guò)了，則這個(gè)路由器要丟棄該數(shù)據(jù)報(bào)并發(fā)送差錯(cuò)報(bào)文。若數(shù)據(jù)報(bào)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)有些IP地址未經(jīng)過(guò)，依然丟棄并發(fā)送差錯(cuò)報(bào)文。
此時(shí)在值字段中，依然有一個(gè)指針字段，區(qū)別在于此種情況下所有的IP地址在源點(diǎn)時(shí)就已經(jīng)填好。路由器比較指針值和長(zhǎng)度值時(shí)，若指針值大，則數(shù)據(jù)報(bào)已通過(guò)了所有預(yù)設(shè)的路由器，不可再轉(zhuǎn)發(fā)，必須丟棄并發(fā)送差錯(cuò)報(bào)文。若指針值小，則路由器比較該幀（數(shù)據(jù)鏈路層）的目的IP地址是否與自己的入口IP地址一致，相等則進(jìn)行操作并用該幀的目的IP地址來(lái)替換指針?biāo)赶虻腎P地址，還要將指針值+4，并且指針指向的IP地址作為下一次轉(zhuǎn)發(fā)的目的IP地址。不相等就丟棄并發(fā)送差錯(cuò)報(bào)文。
不嚴(yán)格路由選項(xiàng)：條件放寬為，表中列出的路由器必須經(jīng)過(guò)，但數(shù)據(jù)報(bào)還可以訪問(wèn)其他的路由器。
時(shí)間戳選項(xiàng)：用來(lái)記錄路由器處理數(shù)據(jù)報(bào)的時(shí)間。時(shí)間是從午夜開(kāi)始以毫秒計(jì)時(shí)的全球通用時(shí)間。有助于用戶(hù)和管理者對(duì)因特網(wǎng)上的各路由器的行為進(jìn)行跟蹤。能夠估計(jì)數(shù)據(jù)報(bào)從一個(gè)路由器到另一個(gè)路由器所需時(shí)間，估計(jì)是因?yàn)闀r(shí)鐘可能不同步。
除了要有指針字段外，還需要4bit溢出字段，4bit標(biāo)志字段。溢出字段用來(lái)記錄因缺少可用字段而無(wú)法增加時(shí)間戳的路由器數(shù)量。標(biāo)志字段為0，則只記錄時(shí)間戳。若為1，則需要增加出口IP地址和時(shí)間戳。若為3，則IP地址是預(yù)先給出的，路由器需要用自己的入口IP地址來(lái)檢查給定的IP地址，匹配的話(huà)要用出口IP地址來(lái)覆蓋該地址。
4. 檢驗(yàn)和
二進(jìn)制反碼加法：用n位來(lái)表示從0~2^n-1之間的無(wú)符號(hào)整數(shù)，如果一個(gè)數(shù)多于n位，則多余的最左邊的位被駕到最右邊的位上（繞回）。
在發(fā)送端，把分組劃分為k段，每段的長(zhǎng)度都是n位。用二進(jìn)制反碼加法把這些段相加。把最終結(jié)果去反碼就得出校驗(yàn)和。
在IP分組中，針對(duì)分組首部進(jìn)行計(jì)算，n=16，首先把校驗(yàn)和字段置0，計(jì)算出結(jié)果后再更改。
在接收端，把分組劃分為k段，每段的長(zhǎng)度都是n位。用二進(jìn)制反碼加法把這些段相加，然后再取反碼，若結(jié)果為0，則接受此分組，否則拒絕。
安全性
有三個(gè)安全問(wèn)題是特別應(yīng)用于IP協(xié)議的：
分組竊?。罕粍?dòng)攻擊，入侵者截取并復(fù)制一個(gè)IP分組。難以檢測(cè)，但若對(duì)分組進(jìn)行加密則可令攻擊者無(wú)功而返。
分組篡改：攻擊者先截取，再改變其中內(nèi)容，最后發(fā)送給接收方?？梢员粩?shù)據(jù)完整性機(jī)制檢測(cè)。
IP偽裝：攻擊者偽裝成另一個(gè)人，創(chuàng)建一個(gè)攜帶另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的源地址的IP分組。可通過(guò)起源鑒別來(lái)防范。
使用IPSec協(xié)議來(lái)保護(hù)：
定義算法和密鑰。
分組加密：對(duì)應(yīng)分組竊取攻擊。
數(shù)據(jù)完整性：對(duì)應(yīng)分組篡改攻擊。
起源鑒別：對(duì)應(yīng)IP偽裝攻擊。
簡(jiǎn)化IP軟件包
忽略選項(xiàng)的處理，可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為IP軟件包包含了八個(gè)組件：首部添加模塊、處理模塊、轉(zhuǎn)發(fā)模塊、分片模塊、重裝模塊、路由表、MTU表、重裝表。還有一些輸入輸出隊(duì)列。
此軟件包接受來(lái)自高層或數(shù)據(jù)鏈路層的分組。若從高層來(lái)，則必須將它交付給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行傳輸（除非使用還會(huì)地址127.x.y.z）。若來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層，則或者講起交付給數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)（在路由器中），或者交付給高層協(xié)議（目的地址與本站一致）。
首部添加模塊：接受來(lái)自高層的數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)封裝成為IP數(shù)據(jù)報(bào)，計(jì)算校驗(yàn)和，插入對(duì)應(yīng)字段，然后發(fā)送到輸入隊(duì)列。
處理模塊：核心，接受來(lái)自高層或數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)報(bào)。若目的地址與本地地址相匹配，則發(fā)送到重裝模塊，處理完畢；若本機(jī)是路由器，則TTL減一；若TTL小于等于0，則丟棄此分組并發(fā)送ICMP差錯(cuò)報(bào)文，處理完畢；還未完畢的話(huà)，將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送到轉(zhuǎn)發(fā)模塊，處理完畢。
隊(duì)列：輸入隊(duì)列指的是來(lái)自數(shù)據(jù)鏈路層和高層的數(shù)據(jù)報(bào)。輸出隊(duì)列則存放的是要發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路層和高層的數(shù)據(jù)。處理模塊從輸入隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)報(bào)，分片和重裝模塊則向輸出隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)報(bào)。
路由表：轉(zhuǎn)發(fā)模塊利用路由表來(lái)確定下一跳的地址。
轉(zhuǎn)發(fā)模塊：接受來(lái)自處理模塊的IP分組。找出下一站的IP地址以及發(fā)送該分組時(shí)應(yīng)當(dāng)使用的接口。然后將分組以及這些信息傳遞給分片模塊。
MTU表：分片模塊使用MTU表找出特定接口的MTU值。
分片模塊：分片模塊查詢(xún)MTU表，若數(shù)據(jù)報(bào)長(zhǎng)度大于MTU，則進(jìn)行分片，對(duì)每一個(gè)分片添加首部，并將它們發(fā)送個(gè)ARP軟件包以進(jìn)行地址解析和交付。
重裝表：有5個(gè)字段，狀態(tài)、源IP地址、數(shù)據(jù)報(bào)標(biāo)識(shí)符、超時(shí)以及分片。狀態(tài)字段取值為FREE或IN-USE。數(shù)據(jù)報(bào)標(biāo)識(shí)是IP分組中的標(biāo)識(shí)字段，定義了一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)以及屬于該數(shù)據(jù)報(bào)的所有分片。超時(shí)表示所有分片必須在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)。分片字段是指向分片鏈表的指針。
重裝模塊：找出分片是屬于哪個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的，并將它們進(jìn)行排序，所有分片都到達(dá)時(shí)重新組裝成一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，超時(shí)的話(huà)全部丟棄。
參考
《TCP/IP協(xié)議族（第4版）》 （Behrouz A.Forouzan） 第四、五、六、七章
