Android网络编程系列一 TCP/IP协议族之网际层

浏览数：32 / 时间：2015年06月11日

这篇借鉴的文章主要是用于后续文章知识点的扩散，在此特作备份和扩散学习交流。

网际层包括:IP、ICMP、IGMP 以及处在网际层实际工作在链路层的 ARP 和 RARP等等协议。

1.IP协议

互联网上的每个接口必须有一个唯一的Internet地址（也称作IP地址）。IP地址长32 bit。IP协议是TCP/IP协议的核心，所有的TCP，UDP，ICMP，IGMP的数据都以IP数据格式传输。要注意的是，IP不是可靠的协议，这是说，IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制－－这被认为是上层协议－－TCP或UDP要做的事情。所以这也就出现了TCP是一个可靠的协议，而UDP就没有那么可靠的区别。Internet地址并不采用平面形式的地址空间，如1、2、3等。IP地址具有一定的结构，五类不同的互联网地址格式如下：

技术分享

1.1.IP协议头

如图所示

挨个解释它是教科书的活计，我感兴趣的只是那八位的TTL字段，还记得这个字段是做什么的么？这个字段规定该数据包在穿过多少个路由之后才会被抛弃(这里就体现出来IP协议包的不可靠性，它不保证数据被送达)，某个ip数据包每穿过一个路由器，该数据包的TTL数值就会减少1，当该数据包的TTL成为零，它就会被自动抛弃。这个字段的最大值也就是255，也就是说一个协议包也就在路由器里面穿行255次就会被抛弃了，根据系统的不同，这个数字也不一样，一般是32或者是64，Tracerouter这个工具就是用这个原理工作的，tranceroute的-m选项要求最大值是255，也就是因为这个TTL在IP协议里面只有8bit。

现在的ip版本号是4，所以也称作IPv4。现在还有IPv6，而且运用也越来越广泛了。

1.2.IP路由选择

当一个IP数据包准备好了的时候，IP数据包（或者说是路由器）是如何将数据包送到目的地的呢？它是怎么选择一个合适的路径来"送货"的呢？

最特殊的情况是目的主机和主机直连，那么主机根本不用寻找路由，直接把数据传递过去就可以了。至于是怎么直接传递的，这就要靠ARP协议了，后面会讲到。

稍微一般一点的情况是，主机通过若干个路由器(router)和目的主机连接。那么路由器就要通过ip包的信息来为ip包寻找到一个合适的目标来进行传递，比如合适的主机，或者合适的路由。路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个IP数据包

如果IP数据包的TTL（生命周期）以到，则该IP数据包就被抛弃。
搜索路由表，优先搜索匹配主机，如果能找到和IP地址完全一致的目标主机，则将该包发向目标主机
搜索路由表，如果匹配主机失败，则匹配同子网的路由器，这需要“子网掩码(1.3.)”的协助。如果找到路由器，则将该包发向路由器。
搜索路由表，如果匹配同子网路由器失败，则匹配同网号（第一章有讲解）路由器，如果找到路由器，则将该包发向路由器。
搜索陆游表，如果以上都失败了，就搜索默认路由，如果默认路由存在，则发包
如果都失败了，就丢掉这个包。

这再一次证明了，ip包是不可靠的。因为它不保证送达。

1.3.子网寻址

IP地址的定义是网络号+主机号。但是现在所有的主机都要求子网编址，也就是说，把主机号在细分成子网号+主机号。最终一个IP地址就成为网络号码+子网号+主机号。例如一个B类地址：210.30.109.134。一般情况下，这个IP地址的红色部分就是网络号，而蓝色部分就是子网号，绿色部分就是主机号。至于有多少位代表子网号这个问题上，这没有一个硬性的规定，取而代之的则是子网掩码，校园网相信大多数人都用过，在校园网的设定里面有一个255.255.255.0的东西，这就是子网掩码。子网掩码是由32bit的二进制数字序列,形式为是一连串的1和一连串的0，例如：255.255.255.0(二进制就是11111111.11111111.11111111.00000000)对于刚才的那个B类地址，因为210.30是网络号，那么后面的109.134就是子网号和主机号的组合，又因为子网掩码只有后八bit为0，所以主机号就是IP地址的后八个bit，就是134，而剩下的就是子网号码－－109。

2. ARP协议

还记得数据链路层的以太网的协议中，每一个数据包都有一个MAC地址头么？我们知道每一块以太网卡都有一个MAC地址，这个地址是唯一的，那么IP包是如何知道这个MAC地址的？这就是ARP协议的工作。

ARP（地址解析）协议是一种解析协议，本来主机是完全不知道这个IP对应的是哪个主机的哪个接口，当主机要发送一个IP包的时候，会首先查一下自己的ARP高速缓存（就是一个IP-MAC地址对应表缓存），如果查询的IP－MAC值对不存在，那么主机就向网络发送一个ARP协议广播包，这个广播包里面就有待查询的IP地址，而直接收到这份广播的包的所有主机都会查询自己的IP地址，如果收到广播包的某一个主机发现自己符合条件，那么就准备好一个包含自己的MAC地址的ARP包传送给发送ARP广播的主机，而广播主机拿到ARP包后会更新自己的ARP缓存（就是存放IP-MAC对应表的地方）。发送广播的主机就会用新的ARP缓存数据准备好数据链路层的的数据包发送工作。

一个典型的arp缓存信息如下，在任意一个系统里面用“arp -a”命令:

Interface: 192.168.11.3 --- 0x2
  Internet Address      Physical Address      Type
  192.168.11.1          00-0d-0b-43-a0-2f     dynamic
  192.168.11.2          00-01-4a-03-5b-ea     dynamic

都会得到这样的结果。这样的高速缓存是有时限的，一般是20分钟（伯克利系统的衍生系统）。

3.ICMP协议

前面讲到了，IP协议并不是一个可靠的协议，它不保证数据被送达，那么，自然的，保证数据送达的工作应该由其他的模块来完成。其中一个重要的模块就是ICMP(网络控制报文)协议。

当传送IP数据包发生错误－－比如主机不可达，路由不可达等等，ICMP协议将会把错误信息封包，然后传送回给主机。给主机一个处理错误的机会，这也就是为什么说建立在IP层以上的协议是可能做到安全的原因。ICMP数据包由8bit的错误类型和8bit的代码和16bit的校验和组成。而前 16bit就组成了ICMP所要传递的信息。书上的图6－3清楚的给出了错误类型和代码的组合代表的意思。

尽管在大多数情况下，错误的包传送应该给出ICMP报文，但是在特殊情况下，是不产生ICMP错误报文的。如下

ICMP差错报文不会产生ICMP差错报文（出IMCP查询报文）（防止IMCP的无限产生和传送）
目的地址是广播地址或多播地址的IP数据报。
作为链路层广播的数据报。
不是IP分片的第一片。
源地址不是单个主机的数据报。这就是说，源地址不能为零地址、环回地址、广播地址或多播地址。

虽然里面的一些规定现在还不是很明白，但是所有的这一切规定，都是为了防止产生ICMP报文的无限传播而定义的。

ICMP协议大致分为两类，一种是查询报文，一种是差错报文。其中查询报文有以下几种用途:

ping查询（不要告诉我你不知道ping程序）
子网掩码查询（用于无盘工作站在初始化自身的时候初始化子网掩码）
时间戳查询（可以用来同步时间）

而差错报文则产生在数据传送发生错误的时候。就不赘述了。

3.1 ICMP的应用--ping

ping可以说是ICMP的最著名的应用，当我们某一个网站上不去的时候。通常会ping一下这个网站。ping会回显出一些有用的信息。一般的信息如下:

Reply from 10.4.24.1: bytes=32 time<1ms TTL=255
Reply from 10.4.24.1: bytes=32 time<1ms TTL=255
Reply from 10.4.24.1: bytes=32 time<1ms TTL=255
Reply from 10.4.24.1: bytes=32 time<1ms TTL=255

Ping statistics for 10.4.24.1:
    Packets: Sent = 4, Received = 4, Lost = 0 (0% loss),
Approximate round trip times in milli-seconds:
    Minimum = 0ms, Maximum = 0ms, Average = 0ms

ping这个单词源自声纳定位，而这个程序的作用也确实如此，它利用ICMP协议包来侦测另一个主机是否可达。原理是用类型码为0的ICMP发请求，受到请求的主机则用类型码为8的ICMP回应。ping程序来计算间隔时间，并计算有多少个包被送达。用户就可以判断网络大致的情况。我们可以看到， ping给出来了传送的时间和TTL的数据。我给的例子不太好，因为走的路由少，有兴趣地可以ping一下国外的网站比如sf.net，就可以观察到一些丢包的现象，而程序运行的时间也会更加的长。
ping还给我们一个看主机到目的主机的路由的机会。这是因为，ICMP的ping请求数据报在每经过一个路由器的时候，路由器都会把自己的ip放到该数据报中。而目的主机则会把这个ip列表复制到回应icmp数据包中发回给主机。但是，无论如何，ip头所能纪录的路由列表是非常的有限。如果要观察路由，我们还是需要使用更好的工具，就是要讲到的Traceroute(windows下面的名字叫做tracert)。

3.2 ICMP的应用--Traceroute

Traceroute是用来侦测主机到目的主机之间所经路由情况的重要工具，也是最便利的工具。前面说到，尽管ping工具也可以进行侦测，但是，因为ip头的限制，ping不能完全的记录下所经过的路由器。所以Traceroute正好就填补了这个缺憾。

Traceroute的原理是非常非常的有意思，它受到目的主机的IP后，首先给目的主机发送一个TTL=1（还记得TTL是什么吗？）的UDP(后面就知道UDP是什么了)数据包，而经过的第一个路由器收到这个数据包以后，就自动把TTL减1，而TTL变为0以后，路由器就把这个包给抛弃了，并同时产生一个主机不可达的ICMP数据报给主机。主机收到这个数据报以后再发一个TTL=2的UDP数据报给目的主机，然后刺激第二个路由器给主机发ICMP数据报。如此往复直到到达目的主机。这样，traceroute就拿到了所有的路由器ip。从而避开了ip头只能记录有限路由IP的问题。

有人要问，我怎么知道UDP到没到达目的主机呢？这就涉及一个技巧的问题，TCP和UDP协议有一个端口号定义，而普通的网络程序只监控少数的几个号码较小的端口，比如说80,比如说23,等等。而traceroute发送的是端口号>30000(真变态)的UDP报，所以到达目的主机的时候，目的主机只能发送一个端口不可达的ICMP数据报给主机。主机接到这个报告以后就知道，主机到了，所以，说Traceroute是一个骗子一点也不为过:)

Traceroute程序里面提供了一些很有用的选项，甚至包含了IP选路的选项，请察看man文档来了解这些，这里就不赘述了。