一、概述

1、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的基本概念

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP，Internet Protocol）是互聯(lián)網(wǎng)（Internet）上一個最基本的協(xié)議，互聯(lián)網(wǎng)本身是一個分組交換的計算機通信網(wǎng)絡(luò)，因此，IP是為在分組交換計算機通信網(wǎng)絡(luò)的互連系統(tǒng)中使用而設(shè)計的。該協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中被主機對主機協(xié)議調(diào)用，它處于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層。該協(xié)議調(diào)用本地網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報傳送到下一個網(wǎng)關(guān)或目的主機。互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議提供了從源到目的地的數(shù)據(jù)傳輸塊，稱為報文（datagram）或稱數(shù)據(jù)報，其中源和目的地是由固定長度地址標識的主機。

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互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的范圍特別有限，無法提供必要的功能，以便通過相互連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將比特包（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報）從一個源發(fā)送到一個目的地。沒有機制來增強端到端數(shù)據(jù)可靠性、流控制、排序或主機到主機協(xié)議中常見的其它服務(wù)。因此，IP是需要利用其它支持網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的協(xié)議來提供各種類型和質(zhì)量的服務(wù)的。

2、TCP/IP及IP與其它協(xié)議的關(guān)系

事實上，用于計算機間通信的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議由3個層次構(gòu)成：網(wǎng)絡(luò)、傳輸和應(yīng)用程序，如下圖1-2所示。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議協(xié)調(diào)信息傳輸；傳輸協(xié)議負責數(shù)據(jù)的完整性；應(yīng)用程序協(xié)議格式化數(shù)據(jù)以便于傳輸。互聯(lián)網(wǎng)中用于將信息從一臺計算機送到另一臺計算機的協(xié)議稱為IP。IP協(xié)議中的信息以分組的形式傳輸。互聯(lián)網(wǎng)中有兩個用來協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)傳輸正確性的協(xié)議，即：傳輸控制協(xié)議（TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UDP）。傳輸協(xié)議判斷分組是否到達了目的地，如果已到達，協(xié)議將分組按正確順序排放。互聯(lián)網(wǎng)中有許多應(yīng)用程序，而每一個都有它自己的應(yīng)用程序協(xié)議，如遠程登錄協(xié)議（Telnet）、文件傳輸協(xié)議（FTP）、簡單文件傳送協(xié)議（TFTP）等等。

圖 1-2：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）與其它協(xié)議的關(guān)系

在互聯(lián)網(wǎng)中，TCP和IP協(xié)議習慣上放在一起統(tǒng)稱為TCP/IP協(xié)議。TCP/IP協(xié)議是支持互聯(lián)網(wǎng)的基本通信協(xié)議，是計算機和相關(guān)設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)的許多協(xié)議中的兩個。TCP負責數(shù)據(jù)的流量控制，并保證傳輸?shù)恼_性；IP負責將數(shù)據(jù)從一處傳往另一處。TCP/IP協(xié)議具有廣泛的兼容性和可伸縮性，可連接不同的計算機網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

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另外，由圖1-2可知，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接口的一側(cè)是高級的主機對主機協(xié)議，另一側(cè)是本地網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。在這種情況下，“本地網(wǎng)絡(luò)（local network）”可以是建筑物中的小型網(wǎng)絡(luò)（如局域網(wǎng)LAN），也可以是像ARPANET這樣的大型網(wǎng)絡(luò)。

3、IP的基本功能

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）實現(xiàn)了兩個基本功能，即：尋址和分段。互聯(lián)網(wǎng)模塊（如主機、路由器、網(wǎng)關(guān)等）使用互聯(lián)網(wǎng)報頭（header）中攜帶的地址將互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報傳輸?shù)剿鼈兊哪康牡亍鬏斅窂降倪x擇稱為路由。當需要通過“小包”網(wǎng)絡(luò)傳輸時，互聯(lián)網(wǎng)模塊使用互聯(lián)網(wǎng)報頭中的字段對互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報進行分段和重組。

其運作模式是，互聯(lián)網(wǎng)模塊駐留有參與互聯(lián)網(wǎng)通信的相關(guān)程序，這些模塊共享解釋地址字段和分割及組裝互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)報的通用規(guī)則。此外，這些模塊（特別是在網(wǎng)關(guān)中）具有制定路由決策和其他功能的過程。

4、IP的服務(wù)機制

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）使用四種關(guān)鍵機制來提供服務(wù)，即：服務(wù)類型、生存時間、可選項和報頭校驗和。事實上這些都是IP報頭中字段；種四種服務(wù)機制的釋義詳見下表1-4的描述。

表 1-4：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）使用的四種關(guān)鍵服務(wù)機制

由表可知，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）不提供可靠的通信服務(wù)；沒有端到端或逐跳的確認；對數(shù)據(jù)沒有錯誤控制，只有報頭校驗和；沒有重傳；沒有流量控制。檢測到的錯誤可以通過因特網(wǎng)控制消息協(xié)議（ICMP）報告，ICMP是在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議模塊中實現(xiàn)的。

二、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的規(guī)范

1、IP的報文格式

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）提供了從源到目的地的數(shù)據(jù)塊的傳輸，該數(shù)據(jù)塊稱為互聯(lián)網(wǎng)報文（internet datagram）。即互聯(lián)網(wǎng)報文在一對網(wǎng)絡(luò)模塊之間交換的數(shù)據(jù)單位（包括互聯(lián)網(wǎng)報頭）。因此，互聯(lián)網(wǎng)報文是由報頭和所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)構(gòu)成。報頭（header）是指消息、段、報文、數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)塊開頭的控制信息。互聯(lián)網(wǎng)報文的報頭（header of internet datagram）格式如下圖2-1所示。

圖 2-1：互聯(lián)網(wǎng)報文的報頭（header）格式

圖中，報頭（header）是用二進制比特表示（圖中每個刻度表示一個比特的位置），4個字節(jié)（32比特）構(gòu)成一個單元，每單元由一個或多個字段（field）構(gòu)成，共有13個字段構(gòu)成。其中，前12個字段為固定長度字段，即每字段的長度（比特位）不同，但各字段的長度是固定的，共占用20個字節(jié)。最后一個稱為“可選項（Optional）”字段，其字段是可變長度的。

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2、IP用戶接口

IP用戶接口的功能描述充其量是虛構(gòu)的，因為每個操作系統(tǒng)都有不同的功能。因此，必須提醒的是，不同的IP實現(xiàn)可能有不同的用戶接口。但是，所有IP必須提供一定的最小服務(wù)集，以保證所有IP實現(xiàn)都能支持相同的協(xié)議層次結(jié)構(gòu)。

互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議接口（Interfaces）的一端與本地網(wǎng)絡(luò)相連，另一端與更高級別的協(xié)議或應(yīng)用程序相連（見圖1-2）。協(xié)議中，高層協(xié)議或應(yīng)用程序（甚至網(wǎng)關(guān)程序）將被稱為“用戶”，因為它使用互聯(lián)網(wǎng)模塊。由于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是一種數(shù)據(jù)報協(xié)議，因此在數(shù)據(jù)報傳輸之間只需要維持最小的內(nèi)存或狀態(tài)，并且用戶對互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議模塊的每次調(diào)用都提供IP執(zhí)行所請求的服務(wù)所需的所有信息。

三、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的版本

目前，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的版本有兩個版本，即第4版本的IPv4和第6版本的IPv6。

1、IPv4

事實是，上述介紹的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的內(nèi)容就是第4版本IPv4的內(nèi)容。它是由互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）在1981年9月發(fā)布的RFC 791《Internet Protocol》所規(guī)范。RFC 791是IETF發(fā)布第一個正式的互聯(lián)網(wǎng)標準（早期的RFC文檔則稱為“國防部標準-互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議”）。依據(jù)當時的RFC 1700《Assigned Numbers（號碼分配）》標準的規(guī)定，將互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的版本號命名為4，因此在IP報文頭中的第1個字段“版本字段（version）”之值規(guī)定為“4”，于是RFC 791便被稱為IPv4版本。若要詳細了解RFC 791標準全部內(nèi)容的請查閱下附件。

附件：RFC 791《Internet Protocol》

2、IPv6

對于IPv4，當初已經(jīng)把其IP地址設(shè)計成32比特，地址總數(shù)為2³²，約達43億個。然而，互聯(lián)網(wǎng)在全球突飛猛進的發(fā)展與應(yīng)用，使設(shè)計者大出所料。其IP地址空間的匱乏成為了嚴重制約互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展應(yīng)用的致命因素，新版本的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的研制勢在必行，且迫在眉睫。當然IPv4也存在著其它一些不利因素。于是，于1998年12月，IETF發(fā)布了RFC 2460《Internet Protocol, Version 6（IPv6）Specification》，將IP地址由原來的IPv4時的32位直接擴容到128位，地址字段（包括源地址和目的地址））長度擴了4倍；地址空間擴了1024倍。此時，IP地址空間為2¹²⁸個，約達3.4×10³⁸個。如此容量的IP地址應(yīng)該不再會影響互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展了。

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依據(jù)原RFC 1700的規(guī)定，已將協(xié)議類的版本號“6”分配給了“簡單互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Simple Internet Protocol）”，但互聯(lián)網(wǎng)號碼分配機構(gòu)（IANA）最終決定將版本號“6”分配給了新版的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）。于是，在RFC 2460規(guī)定的分組頭中的第1個字段“版本字段（version）”之值取值為“6”。這即為新版IP被稱為第6版本IP的來歷，簡稱IPv6。

需要指出的是：新版互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IPv6）它不僅是擁有巨大地址空間，同時，IPv6還具有更簡單、更方便、更可擴展、更安全的特征，這些特有的特征，可以高效支撐移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展。這是因為，IPv6將其分組頭（即IPv4時所稱的報文頭）進行了進一步的優(yōu)化簡化，即將IPv4時固定長度的字段由12個減少到8個，并將不常用字段改為選項，稱為擴展分組頭，其字段數(shù)及長度是任意的，理論上可以任意擴展字段，具備優(yōu)異的靈活性和巨大的創(chuàng)新空間。

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當IPv6互聯(lián)網(wǎng)從1999年1月開始部署，導致目前互聯(lián)網(wǎng)的兩個版本網(wǎng)絡(luò)共存且互通，唯有待現(xiàn)存的IPv4網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備的自然淘汰。

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