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網(wǎng)際幕後的無名英雄----IP 原理實務(wù)探密

2019-11-17 05:32:04
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供稿：網(wǎng)友

　　在Internet如此風(fēng)行的今日，一般人所談?wù)摰膸缀跏窃趹?yīng)用方面的范疇， 很少人會去注重到Internet網(wǎng)路核心中非常重要的一環(huán)— ip(Internet PRotocol) 網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定。因此我們非凡開辟此一專欄， 期望能讓各位讀者更進(jìn)一步、從較技術(shù)的角度去了解Internet的世界

IP(Internet Protocol網(wǎng) 際 網(wǎng) 路 協(xié) 定 )， 是 在 Internet網(wǎng) 路 核 心 非 常 重 要 的 一 環(huán) ， 以 OSI而 言 ， 它 是 位 於 網(wǎng) 路 資 料 聯(lián) 結(jié) 層 (Data Link Layer)與 傳 輸 層 (Transport Layer)之 間 的 網(wǎng) 路 層 的 傳 輸 協(xié) 定 ． 簡 單 的 說 ， 它 必 須 把 來 自 上 層 的 資 料 分 封 出 去 ， 并 且 把 來 自 下 層 網(wǎng) 路 的 資 料 分 析 ， 匯 總 ， 然 後 在 往 上 層 的 傳 輸 層 丟 去 ， 此 外 還 必 須 和 ICMP這 位 難 兄 難 弟 合 作 ， 以 期 隨 時 自 我 調(diào) 整 和 監(jiān) 控 網(wǎng) 路 。

　 　 IP網(wǎng) 際 網(wǎng) 路 協(xié) 定 ， 多 麼 酷 的 中 文 翻 譯 ， 顧 名 思 義 ， 在 不 同 的 網(wǎng) 路 上 ， 只 要 有 了 IP　 這 層 通 訊 協(xié) 定 ， 把 下 層 的 實 體 網(wǎng) 路 介 面 抽 象 化 ， 我 們 就 「 出 運(yùn) 」 啦 ！ 它 到 底 是 怎 麼 一 回 事 呢 ？ 下 面 我 們 舉 出 它 摘 要 。

它 提 供 以 下 的 服 務(wù) :


　 　 (1) 不 可 靠 ， 非 聯(lián) 結(jié) 性 的 傳 輸 。
　 　 (2) 繞 路 的 選 擇 。
　 　 (3) 有 限 的 資 料 長 度 。
　 　 (4) 資 料 封 包 和 解 封 包 。
　 　 (5) 網(wǎng) 路 情 況 調(diào) 整 和 服 務(wù) 。
　 　 (6) 作 為 實 體 網(wǎng) 路 和 傳 輸 層 的 一 個 介 面 。


但 它 不 提 供 以 下 的 服 務(wù) :

　 　 (1) 流 量 控 制 (只 提 供 一 簡 易 的 做 法 )。
　 　 (2) 次 序 控 制 。
　 　 (3) 資 料 檢 查 碼 (僅 做 HEADER 的 檢 查 碼 )。
　 　 (4) 逾 時 重 送 。
　 　 (5) 資 料 重 覆 檢 查 。
　 　 (6) 資 料 檢 知 。


　 　 到 此 ， 我 們 已 經(jīng) 點(diǎn) 出 IP所 提 供 的 重 要 服 務(wù) ． 我 們 將 在 以 下 一 點(diǎn) 一 點(diǎn) 的 說 明 ； 而 它 不 提 供 的 服 務(wù) (如 流 量 控 制 ， 次 序 控 制 等 )它 的 上 層 TCP都 有 提 供 。 所 以 有 人 說 它 是 網(wǎng) 路 幕 後 無 名 英 雄 ， 一 點(diǎn) 也 不 為 過 。 好 康 Ａ 都 被 上 層 搶 走 了 ， 剩 下 來 都 是 一 些 吃 力 不 討 好 的 工 作 ， 誰 叫 它 是 無 名 英 雄 呢 ? 不 過 在 網(wǎng) 路 世 界 就 是 如 此 ， 各 層 之 間 相 互 合 作 ， 各 司 其 職 ， 沒 有 誰 重 誰 輕 。

揭開IP的面紗
　 　 現(xiàn) 在 ， 讓 我 們 列 出 以 太 網(wǎng) 路 (Ethernet)的 框 架 （ 圖 一 ） ， IP的 封 包 格 式 （ 圖 二 ） 和 OSI與 Internet（ 圖 叁 ） ， 讓 讀 者 一 探 其 廬 山 真 面 目 。 （ 為 了 方 便 討 論 ， 我 們 假 設(shè) IP是 架 在 Ethernet之 上 ） 。
　 　 如 果 我 們 以 Ethernet來 傳 資 料 ， 圖 一 的 Ethernet框 架 資 料 欄 將 會 包 含 圖 二 的 IP資 料 封 包 。 而 圖 二 的 資 料 欄 位 將 會 包 含 上 層 圖 叁 TCP/UDP的 封 包 ； 同 理 上 層 封 包 的 資 料 欄 將 會 包 含 上 上 層 的 整 個 封 包 ， 而 網(wǎng) 路 就 是 這 樣 一 層 一 層 的 運(yùn) 作 ， 封 包 繞 路 ， 直 到 到 達(dá) 彼 岸 ． 到 達(dá) 之 後 ， 在 解 封 包 ， 把 每 層 的 資 料 萃 取 出 來 ， 例 如 IP會 決 定 把 其 資 料 欄 內(nèi) 的 「 封 包 」 丟 給 TCP、 UDP或 ICMP， 然 後 各 層 在 各 忙 各 的 。 就 這 樣 整 個 封 包 就 可 在 網(wǎng) 路 上 互 相 交 換 ， 傳 遞 訊 息 了 。

　 　 在 解 釋 完 封 包 之 後 ， 讓 我 們 回 頭 看 看 圖 一 、 圖 二 各 欄 位 的 意 義 。

● 以 太 框 架 介 紹 ：
　 　 前 導(dǎo) (Preamble)： 0與 1交 替 的 64位 元 所 組 成 ， 收 方 同 步 用 。
(1)目 地 硬 體 地 址 (destination hardware address):接 收 端 的 實 體 位 址 ， 共 48 bits． 　 　 　 　 　 　 　 所 謂 實 體 位 址 ， 就 是 生 產(chǎn) Ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ 　 介 面 的 硬 體 廠 商 向 IEEE所 購 買 的 一 組 連 續(xù) 地 址 ． 廠 商 在 生 產(chǎn) 時 ， 把 此 號 碼 燒 入 即 可 ． 這 樣 一 來 全 世 界 各 家 不 同 的 以 太 網(wǎng) 路 卡 制 造 商 的 網(wǎng) 路 實 體 位 址 就 不 會 沖 突 了 ．
(2)來 源 硬 體 地 址 (source hardware address):發(fā) 送 端 的 實 體 位 址 ， 也 是 48 bits． 這 里 要 注 意 的 是 ， 網(wǎng) 路 實 體 位 址 是 和 網(wǎng) 際 位 址 （ IP　 　 Ａ Ｄ Ｄ Ｒ Ｅ Ｓ Ｓ ） 　 　 　 　 　 　 　 是 不 同 的 ． 簡 單 的 說 ， 實 體 位 址 是 給 網(wǎng) 路 卡 用 的 ， 網(wǎng) 際 位 址 是 給 IP　 用 的 ．
(3)框 架 型 態(tài) (frame type)： 16位 元 用 來 識 別 資 料 的 型 態(tài) ．
(4)框 架 資 料 (frame data)： 上 層 傳 來 的 資 料 必 須 介 於 368 bits(46 bytes)和 12000 bits(1500 bytes)之 間 ． 換 句 話 說 IP　 丟 給 ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ ｔ 驅(qū) 動 程 式 的 封 包 不 可 大 於 1500個 byte． 在 這 里 我 們 即 點(diǎn) 出 了 為 什 麼 WINSOCKET的 MTU （ 最 大 傳 輸 單 位 ） 內(nèi) 定 值 是 1500位 元 組 ． 試 想 一 下 ， 我 們 在 每 傳 秒 10 mega位 元 的 以 太 網(wǎng) 路 上 我 們 每 次 只 能 丟 小 於 1500個 位 元 組 (12 K位 元 )的 封 包 給 Ethernet， 實 在 蠻 可 憐 的 ． 當(dāng) 然 這 在 高 速 網(wǎng) 路 中 也 是 不 適 用 的 ．

(5)循 環(huán) 碼 (Cyclic Redundancy Check， CRC)： 用 以 偵 測 資 料 傳 輸 過 程 中 ， 資 料 是 否 會 發(fā) 生 錯 誤 ． 用 軟 體 或 硬 體 去 實 作 均 可 ．


　 　 簡 單 吧 ! 經(jīng) 由 以 太 網(wǎng) 路 卡 傳 出 和 收 到 的 資 料 就 是 如 此 ， 看 起 來 笨 笨 的 ， 不 過 確 實 如 此 ． 現(xiàn) 在 ， 讓 我 們 再 來 看 看 IP　 的 資 料 格 式 ．

(1)版 本 (Version)： 4個 bit． 目 前 最 新 的 版 本 是 4， 1989年 5月 制 訂 ．
(2)標(biāo) 頭 長 (Internet Header Length)： 4個 bit． 以 32個 位 元 為 單 位 ． 如 果 無 IP選 項 的 話 ， 它 的 值 為 5（ 即 最 小 值 ） ． 細(xì) 心 的 讀 者 自 己 算 算 看 ．
(3)服 務(wù) 型 態(tài) (Service Type)： 8個 bit． 傳 給 路 由 器 或 閘 道 器 ， 我 們 所 希 望 的 傳 輸 類 型 ． 共 分 叁 種 1. D-低 延 遲 2. T-高 吞 吐 率 3. R-高 可 靠 性
(4)總 長 度 (Total Length)： 16個 bit． 所 允 許 的 最 大 長 度 為 　 2^16-1=65535 (表 頭 加 上 資 料 總 長 )．
(5)識 別 字 (Identification)： 16個 bit． 資 料 分 割 後 ， 當(dāng) 成 識 別 碼 用 ．
(6)旗 標(biāo) (Flag)： 3個 bit． 指 示 是 否 可 分 割 ．
(7)分 段 差 距 值 (Fragment)： 13個 bit． 資 料 被 分 段 後 ， 此 分 段 在 原 資 料 流 的 位 址 ．
(8)存 活 時 間 (Time to live)： 8個 bit． 以 秒 為 單 位 ， 表 示 IP預(yù) 測 此 封 包 可 在 網(wǎng) 路 上 的 存 活 時 間 ． 閘 道 器 會 把 此 資 料 傳 輸 的 時 間 減 去 存 活 時 間 ， 若 小 於 零 ， 則 放 棄 此 封 包 ．
(9)協(xié) 定 (Protocol)： 8個 bit． 表 示 IP上 層 的 協(xié) 定 內(nèi) 容 ． 這 里 告 訴 了 IP軟 體 ， 我 們 的 資 料 應(yīng) 丟 那 一 層 軟 體 去 處 理 ． 以 下 在 WINSOCK中 的 Protocol file都 可 找 到 ．



ip 0 　icmp 1 tcp 6 udp 17


(10)標(biāo) 頭 檢 查 碼 (Header Checksum)： 16個 bit． 表 示 IP表 頭 (HEADER)的 檢 查 碼 ．
(11)來 源 IP地 址 (Source Address)： 32 bit． 這 里 就 是 所 謂 的 IP ADDRESS

目 前 在 Internet中 ， 網(wǎng) 路 共 分 五 級 ． 如 下 表 圖 四 ：

A類 網(wǎng) 路 的 IP ADDRESS是 介 於 0.0.0.1至 128.0.0.0
B類 網(wǎng) 路 的 IP ADDRESS是 介 於 128.0.0.0至 192.0.0.0
C類 網(wǎng) 路 的 IP ADDRESS是 介 於 192.0.0.0至 224.0.0.0
D類 網(wǎng) 路 的 IP ADDRESS是 介 於 224.0.0.0至 240.0.0.0
E類 網(wǎng) 路 的 IP ADDRESS是 介 於 240.0.0.0至 255.255.255.254
#注 意 IP ADDRESS 255.255.255.255為 廣 播 位 址 #


舉 個 例 子 來 說 ： 若 你 的 IP ADDRESS為 140.113.207.141的 話 ， 那 在 就 是 B類 網(wǎng) 路 ． 而 電 腦 即 以 2進(jìn) 位 來 表 示 這 個 位 址 ，


因 140=10001100 113=01110001 207=11001111 141=10001101

所以　140.113.207.141 = 10001100011100011100111110001101

就是 IP 和 IP 溝通的實際方式。


目 地 IP地 址 (Destination Address)： 32 bits． 理 由 同 上 。
IP選 項 (Option)： 可 有 可 無 ． 這 里 大 多 是 用 在 資 料 段 的 除 錯 或 測 試 。
補(bǔ) 足 長 度 (Padding)： 長 度 不 定 ． 它 會 填 充 IP表 頭 (HEADER)使 得 表 頭 能 被 32整 除 ， 加 快 電 腦 處 理 。
資 料 (IP Data)： 這 里 就 是 由 上 層 的 TCP / UDP資 料 填 充 ， 或 同 層 的 ICMP。

IP所提供的服務(wù)
　 　 看 樣 子 多 了 這 些 欄 位 ， IP層 比 較 聰 明 ， 事 實 上 在 網(wǎng) 路 的 哲 學(xué) 里 的 確 是 這 樣 ， 越 上 層 的 協(xié) 定 ， 功 能 越 強(qiáng) 也 越 好 用 ， 硬 體 也 越 抽 象 化 ， 當(dāng) 然 對 使 用 者 而 言 也 越 好 用 ． 但 聰 明 歸 聰 明 ， 它 還 是 有 缺 點(diǎn) 的 ． 其 中 的 不 可 靠 性 (unre

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