3.1 IP數據報頭 一個IP數據報由一個頭部和數據部分構成。頭部包括一個20字節的固定長度部分和一個可選任意長度部分。頭部格式如圖5所示。
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版本：4位長。記錄了數據報對應的協議版本號。當前的IP協議有兩個版本：IPV4 和IPV6。 IHL：4位長。代表頭部的總長度，以32位字節為一個單位。 服務類型：8位長。使主機可以告訴子網它想要什麼樣的服務。如下圖所示，服務類型域又分為了5個部分。優先權字段是標志優先級的；三個標志位分別代表延遲、吞吐量、可靠性。
總長：16位。指頭部和數據的總長。最大長度是65535個字節。 標識：16位。通過它使目的主機判斷新來的分段屬於哪個分組，所有屬於同一分組的分段包含同樣的標識值。 DF：代表不要分段。它命令路由器不要將數據報分段，因為目的端不能重組分段。 MF：代表還有進一步的分段，用它來標志是否所有的分組都已到達。除了最後一個分段的所有分段都設置了這一位。 分段偏移：13位。標明分段在當前數據報的什麼位置。 生命期：8位。用來限制分組生命周期的計數器。它在每個節點中都遞減，而且當在一個路由器中排隊時可以倍數遞減。 協議：8位。說明將分組發送給那個傳輸進程，如TCR、VDP等。 頭校驗和：16位。僅用來校驗頭部。 源地址： 32位。產生IP數據報的源主機IP地址。 目的地址：32位。IP數據報的目的主機的IP地址。 可選項：是變長的。每個可選項用一個字節標明內容。有些可選項還跟有一字節的可選項長度字段，其後是一個或多個數據字節。現在已定義了安全性、嚴格的源路由選擇、松的源路由選擇、記錄路由和時間標記五個可選項。但不是所有的路由器都支持全部5個可選項。 安全性選項說明了信息的安全程度。 嚴格的源路由選擇選項以一系列的IP地址方式，給出了從源到目的地的完整路徑。數據報必須嚴格地從這條路徑傳送。當路由選擇表崩潰，系統管理員發送緊急分組時，或作時間測量時，此字段很有用。 松的源路由選擇選項要求分組遍及所列的路由器，但它可以在其間穿過其它的路由器。 記錄路由選項讓沿途的路由器都將其IP地址加到可選字段之後，這使系統管理者可以跟蹤路由選擇算法的錯誤。 時間標記選項像記錄路由選項一樣，除了記錄32位的IP地址外，每個路由器還要記錄一個32位的時間標記。同樣地，這一選擇可用來為路由選擇算法查錯。 3.2 IP數據報的分段與重組 IP數據報是通過封裝為物理幀來傳輸的。由於因特網是通過各種不同物理網絡技術互連起來的，在因特網的不同部分，物理幀的大小（最大傳輸單元MTU）可能各不相同。為了最大程度的利用物理網絡的能力，IP模塊以所在的物理網絡的MTU做為依據，來確定IP數據報的大小。當IP數據報在兩個不同MTU的網絡之間傳輸時，就可能出現IP數據報的分段與重組操作。 在IP頭中控制分段和重組的IP頭域有三個：標識域、標志域、分段偏移域。標識是源主機賦予IP數據報的標識符。目的主機根據標識域來判斷收到的IP數據報分段屬於哪一個數據報，以進行IP數據報重組。標志域中的DF位標識該IP數據報是否允許分段。當需要對IP數據報進行分段時，如果DF位置1，網關將會拋棄該IP數據報，並向源主機發送出錯信息。標志域中的MF位標識該IP數據報分段是否是最後一個分段。分段偏移域記錄了該IP數據報分段在原IP數據報中的偏移量。偏移量是8字節的整數倍。分段偏移域被用來確定該IP數據報分段在IP數據報重組時的順序。 IP數據報在被傳輸過程中，一旦被分段，各段就作為獨立的IP數據報進行傳輸，在到達目的主機之前有可能會被再次或多次分段。但是IP數據報分段的重組都只在目的主機進行。 3.3 IP對輸入數據報的處理 IP對輸入數據報的處理分為兩種，一種是主機對數據報的處理，一種是網關對數據報的處理。 當IP數據報到達主機時，如果IP數據報的目的地址與主機地址匹配，IP接收該數據報並將它傳給高級協議軟件處理；否則拋棄該IP數據報。 網關則不同，當IP數據報到達網關IP層後，網關首先判斷本機是否是數據報到達的目的主機。如果是，網關將接收到的IP數據報上傳給高級協議軟件處理。如果不是，網關將對接收到的IP數據報進行尋徑，並隨後將其轉發出去。 3.4 IP對輸出數據報的處理 IP對輸出數據報的處理也分為兩種，一種是主機對數據報的處理，一種是網關對數據報的處理。 對於網關來說，IP接收到IP數據報後，經過尋徑，找到該IP數據報的傳輸路徑。該路徑實際上是全路徑中的下一個網關的IP地址。然後，該網關將該IP數據報和尋徑到的下一個網關的地址交給網絡接口軟件。網絡接口軟件收到IP數據報和下一個網關地址後，首先調用ARP完成下一個網關IP地址到物理地址的映射，然後將IP數據報封裝成幀，最後由子網完成數據報的物理傳輸。 ICMP協議 ICMP(Internet Control Message Protocol)-因特網控制報文協議。ICMP主要用於差錯信息和控制信息的構造及某些網絡信息的獲取。ICMP與IP 同屬IP層，但ICMP報文是經IP封裝後，作為IP數據報發送出去的。不把ICMP作為一個獨立的協議層次，是因為ICMP不是上層協議的基礎，在概念上構不成一個獨立的層次。 ICMP消息包括以下類型：目的不可達、超時、參數問題、源端抑制、重定向、回聲請求、回聲應答、時間標記請求、時間標記應答。 目的不可達消息用來報告子網或路由器不能定位目的地，或設置了DF位的分組不能繞過"小分組"網絡。 超時消息用來報告報文由於計時器為零而被丟棄。 參數問題消息表明在頭部字段中發現了非法值。 源端抑制消息用來抑制發送過多分組的主機。當主機收到這個消息，就要減慢發送速度。 重定向消息在路由器發現可能出現了路由錯誤時發送。 回聲請求和回聲應答消息用來測試目的是否可達且正常運行。收到回聲請求消息，目的端應該往回發一個回聲應答消息。時間標記請求和時間標記應答與此類似，只是消息到達時間和應答發出時間應加入應答中，其好處是可以用來測試網絡性能。 IP在Linux上的實現 如圖6所示，Linux以分層的軟件結構實現了TCP/IP協議。BSD套接字由一般性的套接字管理軟件INET套接字層支持。INET套接字管理著基於IP的TCP或UDP協議端。在傳輸UDP數據報時，Linux不必關心數據報是否安全到達目的端。但對TCP數據報來說，Linux需要對數據報進行編號，數據報的源端和目的端需要協調工作，以便保證數據報不會丟失，或以錯誤的順序發送。IP層包含的代碼需要處理數據報的報頭信息，並且必須將傳入的數據報發送到TCP或 UDP兩者中正確的一層處理。在IP層之下是Linux的網絡設備層，其中包括以太網設備或PPP設備等。和Linux系統中的其它設備不同，網絡設備並不總代表實際的物理設備，例如，回環設備就是一個純軟件設備。ARP協議提供地址解析功能，因此它處於IP層和網絡設備層之間。
圖6 Linux網絡分層結構圖 1 套接字緩沖區 Linux利用套接字緩沖區在協議層和網絡設備之間傳送數據。Sk_buff包含了一些指針和長度信息，從而可讓協議層以標准的函數或方法對應用程序的數據進行處理。如圖7所示，每個sk_buff均包含一個數據塊、四個數據指針以及兩個長度字段。利用四個數據指針，各協議層可操縱和管理套接字緩沖區的數據，這四個指針的用途如下。 Head：指向內存中數據區的起始地址。Sk_buff和相關數據塊在分配之後，該指針的值是固定的。 Data：指向協議數據的當前起始地址。該指針的值隨當前擁有Sk_buff的協議層的變化而變化。 Tail：指向協議數據的當前結尾地址。和data指針一樣，該指針的值也隨當前擁有Sk_buff的協議層的變化而變化。 End：指向內存中數據區的結尾。和head指針一樣，Sk_buff被分配之後，該指針的值也固定不變。 Sk_buff的兩個長度字段，len和truesize，分別描述當前協議數據報的長度和數據緩沖區的實際長度。
32 接收IP數據報 當網絡設備從網絡上接收到數據報時，它必須將接收到的數據轉換為sk_buff數據結構，然後將該結構添加到backlog隊列中排隊。當backlog隊列變得很大時，接收到的sk_buff數據將會被丟棄。當新的sk_buff添加到backlog隊列時，網絡底層程序將被標志為就緒狀態，從而可以讓調度程序調度底層程序進行處理。 調度程序最終會運行網絡的底層處理程序。這時，網絡底層處理程序將處理任何等待傳輸的數據報，但在這之前，底層處理程序首先會處理sk_buff結構的backlog隊列。底層處理程序必須確定將接收到的數據報傳遞到哪個協議層。 在Linux進行網絡層的初始化時，每個協議要在ptype_all鏈表或ptype_base哈希表中添加packet_type數據結構以進行注冊。Packet_type數據結構包含協議類型、指向網絡設備的指針、指向協議的接收數據處理例程的指針等。Ptype_base是一個哈希表，其哈希函數以協議標識符為參數，內核通常利用該哈希表判斷應當接受傳入的網絡數據報的協議。通過檢查ptype_all鏈表和ptype_base哈希表，網絡底層處理程序會復制新的sk_buff，最終，sk_buff會傳遞到一個或多個目標協議的處理例程。 3 發送IP 數據報 網絡處理代碼必須建立sk_buff來包含要傳輸的數據，並且在協議層之間傳遞數據時，需要添加不同的協議頭和協議尾。 首先，IP協議需要決定要使用的網絡設備，網絡設備的選擇依賴於數據報的最佳路由。對於只利用調制解調器和PPP協議連接的計算機來說，路由的選擇比較容易，但是對於連接到以太網的計算機來說，路由的選擇是比較復雜的。 對每個要傳輸的IP數據報，IP利用路由表解析目標IP地址的路由。對每個可從路由表中找到路由的目標IP地址，路由表返回一個rtable數據結構描述可使用的路由。這包括要使用的源地址、網絡設備的device數據結構的地址以及預先建立的硬件頭信息。該硬件頭信息和網絡設備相關，包含了源和目標的物理地址以及其它的介質信息。 4 數據報的分段與重組 當傳輸IP數據報時，IP從IP路由表中找到發送該IP數據報的網絡設備，網絡設備對應的device數據結構中包含由一個mtu字段，該字段描述最大的傳輸單元。如果設備的mtu小於等待發送的IP數據報的大小，就需要將該IP數據報劃分為小的片斷。每個片斷由一個sk_buff代表，其中的IP頭標記為數據報片斷，以及該片斷在IP數據報中的偏移。最後的數據報被標志為最後的IP片斷。如果分段過程中IP不能分配sk_buff，則傳輸失敗。 IP片斷的接收較片斷的發送更加復雜一些，因為IP片斷可能以任意的順序接收到，而在重組之前，必須接受到所有的片斷。每次接收到IP數據報時，IP 要檢查是否是一個分段數據報。當第一次接收到分段的消息時，IP建立一個新的ipq數據結構，並將它鏈接到由等待重組的IP片斷形成的ipqueue鏈表中。隨著其他IP片斷的接收，IP找到正確的ipq數據結構，同時建立新的ipfrag數據結構描述該片斷。每個ipq數據結構中包含有其源和目標IP地址、高層協議的標識符以及該IP幀的標識符，從而唯一描述了一個分段的IP接收幀。當所有的片斷接收到之後，它們被組合成單一的sk_buff並傳遞到上一級協議層處理。如果定時器在所有的片斷到達之前到期，ipq數據結構和ipfrag被丟棄，並假定消息已經在傳輸中丟失，這時，高層協議需要請求源主機重新發送丟失的信息。
來源：賽迪網
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