Internet的主要协议IP的重点叙述

摘要：介绍了IP协议的地址分配，寻址方式，路由选择，路由分类及算法，提出了目前使用的IPV4协议的局限性，以及下一代网际协议IPV6的优势。

关键词：IP协议IP地址分配路由选择路由分类路由算法IPV6协议

1引言

随着“信息高速公路”的提出和Internet的迅猛发展，人们的交流方式，获取信息的途径，工作，学习，生活，娱乐的方式都发生了重大的变革，各种新的信息交流，信息获取的方式应运而生。如电子邮件，电子商务，VOD视频点播，网上股票交易，网上购物，远程教育，远程医疗，各种公共信息查询等，都迫切要求我们有志于IT事业的青年，全面的了解Internet的核心协议—IP协议。

2网际协议IP

众所周知，网络互连离不开协议。Internet正是依靠TCP/IP协议实现网络互联的，可以毫不夸张的说，没有TCP/IP协议，就没有如今高速发展的Internet，因此TCP/IP是Internet的基础和核心。网际协议IP是TCP/IP体系中重要的协议之一，它主要为数据提供打包和编址服务。IP协议能够识别本地或远程主机。如果通向目的网络的通道使用不同大小的分组，IP协议将分组分片，以便能够无错的传输。分组抵达目的主机后，IP协议再将数据的分组重新组合。[1]最后，IP协议将处理好的分组传递给上层的协议。

2.1IP地址

Internet的IP协议使用特定的地址唯一标识网络上的连接设备。IP的地址遵循IP协议的一种网络地址的描述方式，Internet上的每一个节点都依靠唯一的IP地址互相区分和相互联系。他是目前Internet上使用的网络地址，是最为通用和流行的寻址方式。

2.1.1IP地址表示方法

所谓IP地址就是给每一个连接在Internet上的主机分配一个在全世界范围是唯一的32bit地址，它包括了网络地址和主机地址。[2]每个网络拥有一个唯一的网络ID(net-id)和主机ID(host-id)。我们可以先按IP地址的网络号net-id把网络找到，再按主机号host-id把主机找到。所以IP地址并不只是一个简单的计算机号，他指出了连接到某个网络上的某台计算机。

2.1.2IP地址的分类

IP地址是一种层次地址，通用个视为：M——类的等级号，NET——网络号，HOST——主机号。按类别的等级号，IP地址分为五类：A,B,C,D,E。[3]常用的A类，B类和C类地址都由两个字段组成，即网络号字段和主机号字段，网络号和主机号随不同等级在32位中所占的位数不同。表2-1描述了A,B和C类地址的二进制表示形式，其中N表示网络字段的比特数，H表示主机字段的比特数。A类地址使用第一个8位组表示网络字段，于3个8位组，即24比特用于表示主机号字段。B类地址使用前两个8位组表示网络号字段，其余2个8位组表示主机号字段，各有16比特。C类地址使用前三个8位组，24比特比表示网络号字段，最后1个8位组，即8比特用于表示主机号字段。如表2.1所示，它给出了标准网络号字段和主机号字段的长度。D类地址和E类地址并不支持通常意义的主机编址。D类地址是多播地址，主要是留给Internet体系结构委员会IAB(InternetArchitectureBoard)使用。E类地址保留为试验用途。表2.2给出了IP地址的使用范围和容量。

表2.1标准网络号字段和主机号字段的长度

地质类别第一个8位组第二个8位组第三个8位组第四个8位组

ANNNNNNNNHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH

BNNNNNNNNNNNNNNNNHHHHHHHHHHHHHHHH

CNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNHHHHHHHH

表2.2IP地址使用范围和容量

地址类别第一个8位组最大网络数每个网络中的最大主机地址数

A1——12612616777214

B128——1911638465534

C192——2232097152254

D224——239————

E240——254————

2.1.3特殊地址

除了一般的标识一台主机的IP地之外，还有几种特殊形式的IP地址。

1.广播地址

TCP/IP协议规定，主机号全为“1”的网络地址用于广播，即同时向网络上所有主机同时发送报文(必须知道本网的网络号)，叫做广播地址，也成直接广播地址（directedbroadcastingaddress）。

2.有线广播地址

TCP/IP规定，32比特全为“1”的网间网地址用于本网内部广播（可不知本网的网络号），该地址叫做有线广播地址（limitedbroadcastingaddress）。

3.“0”地址

TCP/IP协议规定，各位全为“0”的网络号被解释为“本”网络。

4.回送地址

A类网络地址127是一个保留地址，用于网络软件以及本地机间通信，叫做回送地址（loopbackaddress）.不管是什么程序，一旦使用回送地址发送数据，协议软件立即返回，不进行任何网络传输。

主机号全为“0”和全为“1”的地址，不能用作一台计算主机的有效地址。

2.1.4子网掩码

子网掩码——IP地址的屏蔽码，它使用一连串的二进制1来识别或屏蔽出IP地之中的网络地址，使用子网掩码的目的是识别网络的长度和数值。IP协议使用本地的子网掩码和本地主机IP地址来识别本地网络。

TCP/IP体系结构用一个32位的子网掩码来表示子网号字段的长度。具体做法是：子网掩码由一连串的“1”和一连串的“0”组成。“1”对应于网络号和子网号字段，而“0”对应与主机号字段。例如：子网掩码为0XFFFFFFE0,她的二进制表示形式为11111111111111111111111111100000可见子网号有11位，而主机号有5位。子网掩码的意义如图2-1示。根据IP地址可以判断它是A,B或C类地址中的哪一类，而根据子网掩码可以划分子网号和主机号的界限。不过，多划分出一个子网号字段浪费了大量的IP地址。

10net-idhost-id

B类地址

10net-idsubnet-idhost-id

增加了子网掩码

11111111111111111111111111100000

子网掩码

图2-1子网掩码的意义

3路由的选择

路由就是基于网络层的选择传送数据包路径的过程。路由器则是执行路由功能的设备。它的主要工作是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳的传输路径，并将数据有效的传送到目的站点。可见，路由器的关键所在就是选择最佳路径的策略，即路由算法。为了完成这项工作，路由器中保存了各种传输路径的相关数据——路由表（RoutingTable）,供路由选择时使用。

3.1路由器的功能

路由器是所有大型TCP/IP网络的重要组件，没有路由器，因特网就无法运行。众所周知，IP地址用网络号来描述本地目标主机或远程目标主机，而路由器是通过网络号来识别目的网络。下面来进一步说明路由器的功能：

a)路由器用来连接不同的网络，接受来自它连接的某个网络的数据；

b)路由器是专门用来转发分组的，将数据向上传递到协议栈的Internet层，即路由器舍弃网络访问层的首标信息，并且（必要时）重新组合IP数据包；

c)路由器检查IP首标中的目的地址；

d)传送数据到另一个网络，路由器自动查询路由表，确保数据转发到目的地址；

e)路由器确定哪个适配器负责接收数据后，它就通过相应网络访问层软件传递数据，以便通过网络来传送数据。

3.2路由选择分类

路由选择的两个主要类形式根据他们从何处获得路由表信息而得名的：

静态路由选择——要求网络管理员人工输入路由信息。

动态路由选择——根据使用路由选择协议获得的路由信息动态的建立路由表。

3.2.1静态路由

当网络的拓扑结构或链路的状态发生变化时，网络管理员需要手工去修改路由表中相关的静态路由信息。静态路由信息在缺省的情况下是私有的，不会传递个其他路由器。静态路由一般适用于比较简单的网络环境，在这样的环境中，网络管理员易于了解本地网络的拓扑结构，便于设计正确的路由信息，而且网络安全保密性高。

3.2.2动态路由

动态路由是址路由器能够自动的建立自己的路由表，并且能够根据实际情况的变化适时的进行调整。动态路由机制的运作依赖路由器的两个基本功能：对路由表的保护；路由器之间适时的路由信息交换。[3]交换路由信息的最终目的在于通过路由表找到一条数据交换的“最佳”路径。

3.3IP选路算法

3.3.1传统分类IP路由算法

尽管绝大多数路由器和许多主机都可以在无分类IP网络中实现路由，但是仍有一些路由器和主机依赖目的的网络分类进行路由。分类路由算法如下：

DatagramRoutingTable

从数据报中提取目的地址D，并计算网络前缀N（即目的站的网络号）

ifN与任何直接相接的地址匹配

then通过该网络把数据报交付澳目的地D（其中涉及到把D转换成一个

物理地址，转装数据报并发送该帧）

elseif表中包含特定于具体主机的一个到D的路由

then把数据报发送到表中指定的下一跳

elseif表中包含到网络N的一个路由

then把数据报发送到表中指定的下一跳

elseif网络包含一个默认路由

then把数据报发送到表中指定的默认路由器

else宣布选路出错

3.3.2无分类路由

无分类路由的IP路由算法不断更新以适应对任意大小IP网络地址空间寻径的支持。[5]路由表的每一项必须包括目的地址与下一跳地址，以及附加的掩码以限定该项所描述的地址空间。路由表中引入掩码，实现算法中路由表查询的部分要比原分类路由算法复杂，但整体的算法反而简化了。无分类IP路由算法如下：

对于任何给定的目的地IP地址

搜索路由表，寻找与改地址匹配的前缀最长的目的地址

析取该项的下一跳地址

发送分组包至下一跳

if寻找匹配项失败

报告目的地地址不可达

Endif

4下一代网络IP协议

当前，给予Internet的各种应用正如火如荼的迅猛发展着，而与此热闹场面截然不同的是Internet当前使用的IP协议版本IPV4正因为自身的缺陷而举步维艰。因此，IPV6应运而生了。

4.1IPV4的缺陷

现在互联网上普遍采用IPV4的标准，它是目前Internet中正在运行的非常成功的协议，有着广泛的应用基础，但它自身也有很多不足。

IPV4使用的是32位的寻址方式，理论上IPV4可以支持40亿个地址。然而，由于先前的低效地址分配，由将近一半的地址已被之皮，剩余地址也仅有一小部分可利用。由预测表明，以目前Internet发展速度计算，所有IP地址将在2005——2010年间完全耗尽完毕。因此，IPV4协议所能够提供的域名最终将全部耗尽，从而阻碍了整个互联网的向前发展。

IPV4不仅存在存储空间的局限信，还存在性能上的问题。IPV4制定之初，主要目的在于为在一种网络间进行数据的可靠和高效传输探索最佳机制，从而实现不同计算机的互操作。在很大程度上，IPV4实现了此目标，但这并不意味着IPV4可以继续保持这种实力，它在设计方面需要进一步完善。再次是安全性，人们认为安全性议题在网络协议栈的低层并不重要，应用安全性的责任仍交给应用层。在许多情况下IPV4设计只具备最少的安全性选项，但安全性已经成为IP的下一版本可以发挥作用的地方。最后是自己配置对于IPV4的节点的配置非常复杂，而用户跟喜欢即插即用。IP主机移动性的增强和使用不同网络接入点时能提供更好的配置支持。

4.2IPV6协议

4.2.1较IPV4的变更之处

IPV6对IPV4做了多处改进，这些改进使该协议更为灵活，可靠，而且提供了几乎无限的地址空间。一下列出由IPV4到IPV6的改进：

1)扩大了选路和编址容量：IPV6把IP地址所占比特数由32比特增加到128比特。该方案能够支持的编制层次更多，而且可编址的节点数也大为增加。

2)增加了多播地址：IPV6创建了一种新的地址类型——任意播地址（anycastaddress）,以表示一系列节点，发任意播的数据包可以递交给这组节点中的任意一个。

3)简化了首部格式：IPV4首部中的某些子段被丢弃不用或改为可选，减少了处理数据包的开销，是带宽额外开销尽可能低。

4)改良了对选项的支持：新的IP首部队选项的编码方式进行了改良，提高了转发效率，对选项长度的限制更少，也增加新选项的灵活性。

5)增加了对服务质量的支持能力：IPV6可以对属于某种特定通信流的数据报加标号，表明发送方要求对这些数据加以的特殊处理。

6)增加了鉴别和保密能力:IPV6还包括扩展定义，能支持鉴别数据完整性以及机密性等功能。

5结束语

了更好的适应Internet的不断发展，IP协议应不断的更新其设计上的技术。IPV6是下一代的IP协议，IPV4向IPV6的转变不可能一夜之间完成，它们之间的过渡需要很长的时间，是一个逐步完善的过程。

参考文献

1[美]RobScrimger等著《TCP/IP宝典》[M]电子工业出版社2002年4月

2谢希仁著《计算机网络》[M]电子工业出版社2003年1月

3白建军等著《Internet路由结构分析》[M]人民邮电出版社2002年5月

er著《用TCP/IP进行网际互联》[M]电子工业出版社2001年5月

5ScottM.Ballew著《Cisco路由器管理》[M]中国电力出版社2000年1月