TCP/IP原理、基础以及在Linux上的实现(下)

　　
　　3.1 IP数据报头
　　
　　一个IP数据报由一个头部和数据部分构成。头部包括一个20字节的固定长度部分和一个可选任意长度部分。头部格式如图5所示。
　　

　

　　版本：4位长。记录了数据报对应的协议版本号。当前的IP协议有两个版本：IPV4 和IPV6。
　　
　　IHL：4位长。代表头部的总长度，以32位字节为一个单位。
　　
　　服务类型：8位长。使主机可以告诉子网它想要什么样的服务。如下图所示，服务类型域又分为了5个部分。优先权字段是标志优先级的；三个标志位分别代表延迟、吞吐量、可靠性。
　　

　

　　总长：16位。指头部和数据的总长。最大长度是65535个字节。
　　
　　标识：16位。通过它使目的主机判断新来的分段属于哪个分组，所有属于同一分组的分段包含同样的标识值。
　　
　　DF：代表不要分段。它命令路由器不要将数据报分段，因为目的端不能重组分段。
　　
　　MF：代表还有进一步的分段，用它来标志是否所有的分组都已到达。除了最后一个分段的所有分段都设置了这一位。
　　
　　分段偏移：13位。标明分段在当前数据报的什么位置。
　　
　　生命期：8位。用来限制分组生命周期的计数器。它在每个节点中都递减，而且当在一个路由器中排队时可以倍数递减。
　　
　　协议：8位。说明将分组发送给那个传输进程，如TCR、VDP等。
　　
　　头校验和：16位。仅用来校验头部。
　　
　　源地址： 32位。产生IP数据报的源主机IP地址。
　　
　　目的地址：32位。IP数据报的目的主机的IP地址。
　　
　　可选项：是变长的。每个可选项用一个字节标明内容。有些可选项还跟有一字节的可选项长度字段，其后是一个或多个数据字节。现在已定义了安全性、严格的源路由选择、松的源路由选择、记录路由和时间标记五个可选项。但不是所有的路由器都支持全部5个可选项。
　　
　　安全性选项说明了信息的安全程度。
　　
　　严格的源路由选择选项以一系列的IP地址方式，给出了从源到目的地的完整路径。数据报必须严格地从这条路径传送。当路由选择表崩溃，系统管理员发送紧急分组时，或作时间测量时，此字段很有用。
　　
　　松的源路由选择选项要求分组遍及所列的路由器，但它可以在其间穿过其它的路由器。
　　
　　记录路由选项让沿途的路由器都将其IP地址加到可选字段之后，这使系统管理者可以跟踪路由选择算法的错误。
　　
　　时间标记选项像记录路由选项一样，除了记录32位的IP地址外，每个路由器还要记录一个32位的时间标记。同样地，这一选择可用来为路由选择算法查错。
　　
　　3.2 IP数据报的分段与重组
　　
　　IP数据报是通过封装为物理帧来传输的。由于因特网是通过各种不同物理网络技术互连起来的，在因特网的不同部分，物理帧的大小（最大传输单元MTU）可能各不相同。为了最大程度的利用物理网络的能力，IP模块以所在的物理网络的MTU做为依据，来确定IP数据报的大小。当IP数据报在两个不同MTU的网络之间传输时，就可能出现IP数据报的分段与重组操作。
　　
　　在IP头中控制分段和重组的IP头域有三个：标识域、标志域、分段偏移域。标识是源主机赋予IP数据报的标识符。目的主机根据标识域来判断收到的IP数据报分段属于哪一个数据报，以进行IP数据报重组。标志域中的DF位标识该IP数据报是否允许分段。当需要对IP数据报进行分段时，如果DF位置1，网关将会抛弃该IP数据报，并向源主机发送出错信息。标志域中的MF位标识该IP数据报分段是否是最后一个分段。分段偏移域记录了该IP数据报分段在原IP数据报中的偏移量。偏移量是8字节的整数倍。分段偏移域被用来确定该IP数据报分段在IP数据报重组时的顺序。
　　
　　IP数据报在被传输过程中，一旦被分段，各段就作为独立的IP数据报进行传输，在到达目的主机之前有可能会被再次或多次分段。但是IP数据报分段的重组都只在目的主机进行。
　　
　　3.3 IP对输入数据报的处理
　　
　　IP对输入数据报的处理分为两种，一种是主机对数据报的处理，一种是网关对数据报的处理。
　　
　　当IP数据报到达主机时，如果IP数据报的目的地址与主机地址匹配，IP接收该数据报并将它传给高级协议软件处理；否则抛弃该IP数据报。
　　
　　网关则不同，当IP数据报到达网关IP层后，网关首先判断本机是否是数据报到达的目的主机。如果是，网关将接收到的IP数据报上传给高级协议软件处理。如果不是，网关将对接收到的IP数据报进行寻径，并随后将其转发出去。
　　
　　3.4 IP对输出数据报的处理
　　
　　IP对输出数据报的处理也分为两种，一种是主机对数据报的处理，一种是网关对数据报的处理。
　　
　　对于网关来说，IP接收到IP数据报后，经过寻径，找到该IP数据报的传输路径。该路径实际上是全路径中的下一个网关的IP地址。然后，该网关将该IP数据报和寻径到的下一个网关的地址交给网络接口软件。网络接口软件收到IP数据报和下一个网关地址后，首先调用ARP完成下一个网关IP地址到物理地址的映射，然后将IP数据报封装成帧，最后由子网完成数据报的物理传输。
　　
　　ICMP协议
　　ICMP(Internet Control Message Protocol)-因特网控制报文协议。ICMP主要用于差错信息和控制信息的构造及某些网络信息的获取。ICMP与IP 同属IP层，但ICMP报文是经IP封装后，作为IP数据报发送出去的。不把ICMP作为一个独立的协议层次，是因为ICMP不是上层协议的基础，在概念上构不成一个独立的层次。
　　
　　ICMP消息包括以下类型：目的不可达、超时、参数问题、源端抑制、重定向、回声请求、回声应答、时间标记请求、时间标记应答。
　　
　　目的不可达消息用来报告子网或路由器不能定位目的地，或设置了DF位的分组不能绕过"小分组"网络。
　　
　　超时消息用来报告报文由于计时器为零而被丢弃。
　　
　　参数问题消息表明在头部字段中发现了非法值。
　　
　　源端抑制消息用来抑制发送过多分组的主机。当主机收到这个消息，就要减慢发送速度。
　　
　　重定向消息在路由器发现可能出现了路由错误时发送。
　　
　　回声请求和回声应答消息用来测试目的是否可达且正常运行。收到回声请求消息，目的端应该往回发一个回声应答消息。时间标记请求和时间标记应答与此类似，只是消息到达时间和应答发出时间应加入应答中，其好处是可以用来测试网络性能。
　　
　　IP在Linux上的实现
　　
　　如图6所示，Linux以分层的软件结构实现了TCP/IP协议。BSD套接字由一般性的套接字管理软件INET套接字层支持。INET套接字管理着基于IP的TCP或UDP协议端。在传输UDP数据报时，Linux不必关心数据报是否安全到达目的端。但对TCP数据报来说，Linux需要对数据报进行编号，数据报的源端和目的端需要协调工作，以便保证数据报不会丢失，或以错误的顺序发送。IP层包含的代码需要处理数据报的报头信息，并且必须将传入的数据报发送到TCP或 UDP两者中正确的一层处理。在IP层之下是Linux的网络设备层，其中包括以太网设备或PPP设备等。和Linux系统中的其它设备不同，网络设备并不总代表实际的物理设备，例如，回环设备就是一个纯软件设备。ARP协议提供地址解析功能，因此它处于IP层和网络设备层之间。
　　

　

　　　　　　　　　　　　　　图6 Linux网络分层结构图
　　
　　1 套接字缓冲区
　　
　　Linux利用套接字缓冲区在协议层和网络设备之间传送数据。Sk_buff包含了一些指针和长度信息，从而可让协议层以标准的函数或方法对应用程序的数据进行处理。如图7所示，每个sk_buff均包含一个数据块、四个数据指针以及两个长度字段。利用四个数据指针，各协议层可操纵和管理套接字缓冲区的数据，这四个指针的用途如下。
　　
　　Head：指向内存中数据区的起始地址。Sk_buff和相关数据块在分配之后，该指针的值是固定的。
　　
　　Data：指向协议数据的当前起始地址。该指针的值随当前拥有Sk_buff的协议层的变化而变化。
　　
　　Tail：指向协议数据的当前结尾地址。和data指针一样，该指针的值也随当前拥有Sk_buff的协议层的变化而变化。
　　
　　End：指向内存中数据区的结尾。和head指针一样，Sk_buff被分配之后，该指针的值也固定不变。
　　
　　Sk_buff的两个长度字段，len和truesize，分别描述当前协议数据报的长度和数据缓冲区的实际长度。
　　

　　32 接收IP数据报
　　
　　当网络设备从网络上接收到数据报时，它必须将接收到的数据转换为sk_buff数据结构，然后将该结构添加到backlog队列中排队。当backlog队列变得很大时，接收到的sk_buff数据将会被丢弃。当新的sk_buff添加到backlog队列时，网络底层程序将被标志为就绪状态，从而可以让调度程序调度底层程序进行处理。
　　
　　调度程序最终会运行网络的底层处理程序。这时，网络底层处理程序将处理任何等待传输的数据报，但在这之前，底层处理程序首先会处理sk_buff结构的backlog队列。底层处理程序必须确定将接收到的数据报传递到哪个协议层。
　　
　　在Linux进行网络层的初始化时，每个协议要在ptype_all链表或ptype_base哈希表中添加packet_type数据结构以进行注册。Packet_type数据结构包含协议类型、指向网络设备的指针、指向协议的接收数据处理例程的指针等。Ptype_base是一个哈希表，其哈希函数以协议标识符为参数，内核通常利用该哈希表判