網際協議（IP)
協議介紹
IP （Internet Protocol）協議是TCP/IP最核心的協議，它承載着TCP,UPD,ICMP,IGMP等協議的數據傳輸功能，計算機網絡路由機制的核心協議。
RFC 791定義IP首部格式如下圖：
4位版本：值位4表示IPV4，現在還有IPV6。
4位首部長度：單位DWORD（4字節），最大首部長度爲60（15*4）字節。
IP最小首部長度爲20字節，因此IP首部選項最多40字節。
8位服務類型：不常用，參見RFC 1349對其對說明。
16位總長度： 單位Byte（字節），包括IP首部長度和IP數據長度，最大長度65535。
16位標識：是每個IP數據包的唯一標識，對於需要分片的IP報文，每個分片的標識是一致的。
3位標記： 第一位未使用。
第二位DF（不允許分片），路徑MTU發現機制使用IP這一特性。
第三位MF （是否有更多分片），IP報文分片時，除最後一個分片不設置該標記，其他分片設置該標記爲1。
13位偏移：是指當前分片在整個IP報文中的位置，比如0表示是第一個IP分片。
8位生存時間：每經過一個路由器減1，防止廣播風暴，目前常用64。
8位協議：區分上層協議，比如ICMP，IGMP，TCP，UDP。
16位首部校驗和：交換IP首部數據是否正確。
32位源IP地址： 源端IP地址。
32位目的IP地址：目的端IP地址。
選項：不常用。可選擇如下項。
安全和處理限制、記錄路徑、時間戳、寬鬆的源站路由、嚴格的源站路由。
IP地址爲我們所熟知，通常使用點分十進制表示，譬如我的主機IP地址爲（192.168.1.104），一個看似簡單的數字卻包含了不少學問。
1）IP地址可以按照網絡類型進行劃分，還可以在網絡號上進行子網劃分。
2）IP是路由的基礎，路由機制又涉及更多機制，ARP, 路由表，ICMP重定向，動態選路等等。
3）有了IP協議和路由機制，可以讓主機互相進行通訊，發展後來出現安全隱患，人們開始建立安全意識，就有了防火牆、NAT、DMZ等等安全措施，
這些衍生功能都建立在IP協議的基礎之上。隨着這些衍生功能又發展了更多的應用層協議DNS、DDNS、UPNP、DHCP等等。
可以說IP協議是網絡的核心，本章只是初識IP協議，更多IP協議的詳細分析會在後面的章節陸續進行闡述。
ICMP協議
協議介紹
ICMP（Internet Control Message Protocol）Internet控制報文協議。 基於IP協議，提供網絡控制的服務，TCP、UDP等都會使用該協議控制報文進行對應處理。ICMP協議又服務於IP協議，比如網絡重定向、需要進行分片導致傳輸失敗、子網掩碼獲取等等。因此ICMP協議定位爲網絡層協議是比較合適的。經典的ping,traceroute命令就是基於ICMP協議進行開發的客戶端。
RFC 792定義ICMP首部格式如下圖：
8位類型：描述不同的ICMP控制。
8爲代碼：相同類型的ICMP分爲不同的代號。
16爲校驗和： 檢測整個ICMP報文的數據一致性。
數據部分：根據不同類型，數據部分長度不同。
下圖列舉ICMP的類型和代碼。
應用
ping
ping命令主要用途是用於測試目的主機是否可達到，ping的請求ICMP類型0，代碼0，迴應類型8，代碼0。大多數情況下可以使用ping命令檢測對方主機是否可達到，爲什麼說是大多數，出於安全性的目的，會禁止對ping的請求進行應答，防止主機IP地址暴露。
ping命令還可以用於測試達到對方主機的往返時間，用於驗證網絡情況好壞。
ping命令可以使用IP記錄路徑選項的功能，獲得達到對方主機所經過路由器的IP地址。ping命令也可以使用IP時間戳選項的功能記錄路徑路由器的時間戳。
如果網絡不可達到、主機不可達到、端口不可達到會使用ICMP協議返回一個差錯報文，這個是上層協議經常使用到的ICMP報文。
traceroute
traceroute命令主要用途是跟蹤達到目的主機經過的路由選擇。實際上ping利用IP記錄路徑也可以實現相同工作，爲什麼traceroute還需要支持該功能？
原因在於IP記錄路徑有兩點限制，一是有些路由器可以不實現該功能，二是記錄IP路由地址存放在IP首部，IP首部只有40個字節可供使用，去掉4個字節的記錄路徑選項，最多可以記錄9個IP地址。
traceroute跟蹤達到目的主機的原理是這樣的，通過設置IP頭部的TTL字段，依次設置TTL值爲1，2。。。，由於路由器檢測到TTL值爲1時就會產生一個ICMP報文，類型11，意爲超時，如此就能夠通過ICMP報文的源地址獲得路由器的地址，因此可以依次獲取到第一跳，第二跳。。。的路由地址，但是應該如果判斷目的地址已經達到目的主機了呢？traceroute還需要發送一個UDP報文，端口是一個隨機的較大值，假設目的主機沒有利用該端口，會回覆一個ICMP報文，類型3，代碼3，意爲端口不可達到。如此可以通過ICMP端口不可達到的報文獲得對方的IP地址，如果IP地址和目的地址一致，則表示尋路結束。
traceroute命令還可以用於發現路徑MTU,上一講提到過路徑MTU概念，路徑MTU同樣重要，如果中間路由器不主動進行IP分片，它可能影響到報文是否能夠送達，就算中間路由器進行IP分片，不影響包的達到，那還是會影響到傳輸效率。
traceroute發現路徑MTU的原理是這樣的，通過設置IP頭部標記DF(不允許分片），發送源端MTU大小的報文，如果中間路由有MTU小於該值，並且判斷出DF標記，會向源主機發送一條ICMP報文，類型3，代碼4，意爲不分片無法通過。並且有些路由器會返回它的MTU值，如此源端獲得這條iCMP報文後會使用返回的MTU大小進行再次嘗試，直到不再產生由於不分片無法通過的ICMP報文。
廣播與多播
有時我們需要向同一網絡的所有主機發送報文，這就是廣播，上一講的ARP,RARP的請求就是廣播。但是也有這樣的需求，向網絡的一部分主機發送報文，就不適合使用廣播，因爲使用廣播的話，那些並不關心該廣播報文的主機卻要處理報文，實在是浪費，因此可以使用多播。
廣播
廣播主要分爲下面四種IP地址類型，我們依次進行介紹。
1）受限的廣播
受限的廣播地址爲255.255.255.255。該地址用於主機啓動過程，此時主機還不知道自己的IP和網絡掩碼。理論上路由器收到該類型的廣播後，不在進行廣播，使它只出現本地網絡內。
2）指向網絡的廣播
指向網絡的廣播地址主機號全爲1。比如A類網絡的廣播是 *.255.255.255。C類網絡則是*.*.*.255。
3）指向子網的廣播
假設B類網絡是128.1.0.0，劃分一個子網爲128.1.1.0，子網掩碼就是255.255.255.0。如此改子網的廣播地址就是128.1.1.255。
4）指向所有子網的廣播
還是上面的那個例子，如果劃分了子網128.1.1.0，子網掩碼是255.255.255.255,那麼指向子網的廣播地址，子網號和主機號全爲1，因此128.1.255.255就是所有子網的廣播地址。
例子：
我的主機號192.168.1.104，網絡號192.168.1.0，網絡掩碼是255.255.255.0。是一個局域網，沒有劃分子網，因此可以使用192.168.1.255進行局域網內廣播。
ping 192.168.1.255
PING 192.168.1.255 (192.168.1.255): 56 data bytes
64 bytes from 192.168.1.104: icmp_seq=0 ttl=64 time=0.061 ms
64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=0 ttl=64 time=27.772 ms
64 bytes from 192.168.1.100: icmp_seq=0 ttl=64 time=263.093 ms
64 bytes from 192.168.1.104: icmp_seq=2 ttl=64 time=0.167 ms
64 bytes from 192.168.1.1: icmp_seq=2 ttl=64 time=4.617 ms
64 bytes from 192.168.1.100: icmp_seq=2 ttl=64 time=97.854 ms
^C
--- 192.168.1.255 ping statistics ---
2 packets transmitted, 2 packets received, +4duplicates, 0.0% packet loss應用案例：
我們公司有一個實際使用廣播的案例，我們公司的產品型號有很多種，提供客戶一全套的解決方案，假設產品都在同一個局域網內，如何獲取到局域網內我公司的產品和產品類型呢？這就是一個比較適合使用廣播的應用場景，開發了一個XXXSearch的客戶端，向局域網內發送廣播報文，有對應報文格式，公司的每種產品都必須接收廣播報文並且進行處理，返回自己的型號等等信息。
多播
IP地址分爲（A,B,C,D,E)五類，多播屬於D類IP地址。D類地址的劃分是最高字節的前4個bit是1110，多播組ID爲28位，如下圖。
根據D類IP地址規則，多播組的地址範圍是224.0.0.0 - 239.255.255.255。
一些多播組地址被IANA確定爲知名地址，被當做永久主機組。例如224.0.0.1代表“該子網內的所有系統組”，224.0.0.2代表“該子網內的所有路由器”，224.0.1.1用於網絡時間協議NTP。
多播理論上可以劃分2的28次方個多播組，每個多播組可以讓主機自由的加入和退出，這就涉及到後續的IGMP協議。
多播實際上是對廣播的一種補充，形成一個主機組，如果主機組內的主機相互通信就可以使用多播進行，而不至於影響其他不在多播組內的其他主機的性能。多播還可以在使兩個不同網絡的主機加入到一個多播組，實現不同網絡上主機的交互。
應用案例：
我們公司一個實際的多播多播案例，在同一個局域網內，有N個視頻源（實時視頻流），有M個客戶端（用戶），當有M個客戶端同時播放同一個視頻源時，最差的實現方式是發出M路視頻流，其次的方案是可以利用服務器，負載均衡的分發出視頻源，更好的方案可以利用客戶端P2P互相傳輸（互聯網時經常使用），我們提供一套方案就是將M個客戶端和這個視頻源加入一個多播組，然後由視頻源發送多播報文，M個用戶能夠同時收到該視頻源的實時流（局域網內很有效），可以很好的減少局域網內的網絡流量。
IGMP協議
協議介紹
IGMP (Internet Group Management Protocol) Internet組管理協議，基於IP協議，用於管理主機的多播組。
RFC 1112定義IGMP協議首部格式如下圖：
4位版本：目前該值爲1。
4位類型： 1爲查詢報文，2爲報告報文。
16校驗和：校驗IGMP數據一致性。
32組地址：多播組地址。
主機如何加入和退出多播組：
1）當第一個進程加入組時，主機就發送一個IGMP報告。如果有多個進程加入同一個組，只需發送一次即可，路由器只關心是否有主機加入了多播組。
2）進程離開時無需發送任何報文，如果所有進程都離開，那麼路由器發送組查詢報文時，不對其進行報告即可。
3）多播路由器定時發送IGMP查詢來了解是否還有主機還屬於多播組。多播路由器必須對每個接口都進行查詢，查詢報文的組地址被設置爲0，表示查詢主機所有的多播組。
4）主機通過發送報告相應多播路由器的查詢請求，對至少有一個進程加入的多播組均要報告。
多播路由對每個接口保存一直記錄表，記錄是否還存在一個主機屬於該多播組，如果存在，收到多播報文時就通過該接口轉發多播報文，以到達向另一個網絡傳輸的功能。
其工作原理如下圖：
小結
本章主要介紹了IP協議，重點介紹ICMP協議及其應用，廣播和多播簡單的入門概念講解，IGMP作爲多播協議的基礎進行介紹。實際上可以大致的看出網絡層協議主要負責工作和其分工，爲日後使用上層協議打好基礎。IP協議作爲核心協議，主要分析IP協議的首部字段，IP主要工作，並沒有深入的對其進行講解，後續會陸續的進行各個擊破，如果沒有站在一個更高的抽象層面去看待網絡協議，就無法領略網絡協議的全貌。所以我計劃幾個章節對網絡協議進行一個概況，不一定面面俱到，希望可以將描繪整張藍圖。
參考
《TCP/IP詳解-協議》卷一 W.Richard Stevens
修訂
初稿 2014-10-25 Simon