一.IP首部
1.概述
ip数据报的首部格式如下：
首部长度是已4字节为单位的，因此首部最长为15 * 4 = 60个字节。生存时间规定了数据报可以经过的最多路由器数。标识字段ip_id唯一标识主机发送的每一份数据报，通常每发送一份报文其值就加1。
2.大端序与小端序
大端序又叫网络字节序，其高位在低字节处，而小端序一般也叫做主机字节序，其高位在高字节处。其实这是由于TCO/IP协议的传输次序造成的，由于TCP/IP首部中所有的二进制整数都是以如下方式传递的：4个字节32bit值的传输次序为首先是0~7bit,其次是8 ~ 15 bit,然后是16 ~ 23bit,最后是24 ~ 31bit，所以传输数据之前必须将首部转化为网络字节序。我们以一个int来举例说明：
可以看到由于发送顺序的原因导致接收端先收到低位数据，从缓存读入之后字节序变反了
二.IP选路
IP层可以从UDP,TCP,ICMP和IGMP接收数据报并进行发送，或者从一个网络接口接收数据报并进行转发（如果开启了路由功能）。IP层在内存中维护了一张路由表，每次都会根据路由表项进行转发。
1.路由表项及匹配原则
路由表中包含以下表项：
1）目的IP地址。既可以是一个完整的主机地址，也可以是一个网络地址。
2）下一跳路由器的IP地址，或是直接连接的网络地址。
3）两个标志。一个用于表明目的地址（即第一条）是主机地址还是网络地址，另一个表明下一跳是一个路由器还是一个直接相连的接口。
4）为数据报的传输指定一个网络接口。
匹配原则如下：
1）优先匹配能与目的IP地址完全匹配的表目
2）次优先匹配与目的网络号相匹配的表目
3）搜索默认表目
若以上均失败，则回复ICMP“主机不可达”或“网络不可达”报文
可以使用命令netstat -rn来查看主机路由表，-r选项列出路由表，-n选项以数字格式打印处IP地址，如图所示：
所有数据报都会被网关转发到10.1.16.254， Flags标志的含义如下：U 该路由可以使用；G 该路由是到一个网关（路由器）,若无该标志则说明目的地是直接相连的；H 该路由是到一个主机，若无该标志说明是到一个网络 ，即以一个网络号或是网络号与子网号的组合，D 该路由是由重定向报文创建的; M 该路由已被重定向报文修改。Genmask是目的地址的子网掩码
内核中有一个变量叫做ipforwarding，用以决定主机是否转发IP数据报。
2.ICMP重定向差错
只有当主机可以选择路由时才可能看到ICMP重定向报文，它的作用是高速发送方，可以直接发送到某个路由或直接链路上，而无需经过自己。举个例子：
1）假定主机发送一份IP数据报到R1。这时长发生，因为R1是默认路由
2）R1收到后检查路由表发现R2是下一跳，当它把数据报发送给R2时，发现发送接口与接收的接口是同一个（这意味着源端可以直接到达下一跳，而无需经过自己），此时该路由器发送重定向报文给源端，告诉它以后将数据发送给R2而不是R1
其优点是将所有的智能特性放到了路由端，所有主机在启动时只需要一个默认路由，之后通过重定向报文进行逐步学习
3.路由发现协议
一般，主机在引导后会以广播或多播的形式传送一份路由器请求报文（即ICMP路由器请求报文）。一台或更多路由会回复ICMP路由器通告报文。报文格式如下：
生存时间指的是通告地址的有效时长（秒），默认为30分钟，当路由器上的某一端口关闭时，路由器可以在该接口上发送一生存时间为0的通告报文
当路由器启动时，它会随机的在所有广播或多播接口上发送通告报文，一般两次通告的时间间隔为450到600秒.
4.动态选路协议
1）概述
选路协议是相邻路由器间进行通信（并进行路由更新）时采用的协议，比如RIP,OSPF和BGP。路由器上有一个进程称为路由守护程序，它运行选路协议，根据协议内容与相邻路由器进行通信和更新路由表。动态选路并不影响前面所说的IP层的选路机制，它是一种路由通信与更新路由表的协议。
2）IGP与EGP
Internet是以一个个小的网络组成的（如一所高效或公司的网络），每个小的网络内可以使用独立的选路协议，称之为内部网络协议IGP或域内选路协议。而各个小的网络之间采用的选路协议称之为外部网关协议EGP或分隔选路协议。IGP由OSPF和RIP协议,EGP有BGP协议
3）RIP选路协议（版本1）
RIP报文有着自己的协议格式，RIP报文是包含在UDP中进行发送的，其协议格式如图所示： 
协议运作过程如下：
- 初始化：在启动一个路由守护程序后，从该路由的所有打开接口向外广播请求报文，或指定到某些目的地址的路由，或要求所有路由信息。
- 接收到请求：发送自己所有的路由信息或是根据请求的目的IP进行回复，对于后一种情况，若有到达指明地址的路由则度量为该路由到该地址的度量，否则为16，即不可达。
- 接收到相应：更新路由表，会选择度量小的表项。
- 定期选路更新：每过30秒，部分或所有路由器会将完整的路由表发送给相邻路由器。
- 触发更新：当某一条路由的度量发生变化时，对该条路由进行更新。无需发送完整路由表，而只需向相邻路由发送发生变化的表项
- 超时删除：每条路由都有一个与之相关的定时器，如果发现某一条路由在3分钟内未更新，就将该路由的度量设为16（不可达），再过60秒则删除。
4）RIP选路协议（版本2）
RIP版本2对RIP进行了一些扩充，这些扩充并不改变协议本身，只是用那些必须为0的字段来存储一些额外字段。，RIP与RIP-2可有进行互操作。其协议字段如下： 
5）OSPF选路协议
OSPF协议采用的链路状态协议不同于RIP的距离向量协议，当链路出现故障时OSPF可以更快的稳定下路，且OSPF协议直接使用IP。且OSPF协议可以根据服务类型的不同选择出更好的路径，因为OSPF可以对每个IP服务类型计算各自的路由集，即对于一个目的地可以有多个路由表项。OSPF协议会根据吞吐量，往返时间，可靠性或其它性能（每种IP服务类型）为每个接口指定一个费用。总的来说OSPF协议克服了RIP的所有限制，并增加了很多优点。
三.部分实现
1.概述
在博文《TCP/IP实现 （三） 以太网的数据收发》中已经介绍了网络接口如何将数据放至IP输入队列ipintrq中去，并如何产生一个软件中断。在软件中断处理期间，IP层调用ipintr函数不断从ipintrq中取出并处理分组，直至队列为空。若果分组已到达最终目的地则IP层对数据进行重组后总至适当的运输层协议。若没有到达最终目的地，且主机被配置为一个路由器，则IP把分组传给ip_forward函数（处理IP首部（如TTL），处理ICMP重定向等），最后交由ip_output函数进行发送，ip_output函数即从ip_forward接收转发报文，也从运输层接收上层数据包，该函数也会处理部分IP首部还进行IP分片。IP层处理如下图所示：
2.IP输入
在接口层中将数据报放入IP输入队列并产生软件中断，之后再处理中断时由内核调用ipintr函数循环从ipintrq队列中取出分组，进行逐个处理，直至队列为空，处理过程如下所述。
1）ipintr()函数
ipintr函数处理处理IP选项，数据检验，地址匹配及交付上层协议或交由ip_forward进行转发 。处理过程如下：首先判断是否由接口被分配了IP地址（通过判断IP地址链表是否为空），若未分配则丢弃所有分组。接着检查IP首部长度，IP首部检验和以及IP数据长度，若任何一个出现了差错都会增加相应错误计数。接着处理IP选项，关于IP选项在下一篇博文中介绍。之后遍历ip地址链表，检查是否有匹配的IP地址，匹配情况如下：1）与某接口地址完全匹配； 2）与接收接口相关的广播地址匹配（在下面说明）；3）与某个接口相关的多播组之一（在IP多播中介绍）；4）与受限广播地址之一匹配（全1和全0）。若有一个匹配的则进行重组并交由运输层协议。上述第二条中指的是与接收接口以下的地址相匹配的：
伪代码如下：
void ipintr()
{
while(ipintrq不为空){
if(没有接口分配了IP地址) {
丢弃数据包；
return;
}
// 第一步：数据包检验
增加数据包计数；
检查首部长度，检验和及数据长度，若出现错误则丢弃并增加错误计数
// 第二步：处理IP选项
在后一片博文中介绍
// 第三部：匹配IP地址，交付或尝试转发
for(in_ifaddr* ia = in_ifaddr; ia; ia = ia->next) {// 遍历地址链表
// 完全匹配
if(ia->sin_addr.s_addr == ip->id_dst.s_addr) {// 如果某个接口的IP与目的IP相同
ip->ips_delivered++; // 增加交付计数，通过netstat -s可以查看：xxx incoming packets delivered
重组并交由上次协议
continue;
}
// 匹配广播地址
if(ia->ia_ifp == m->m_pkthdr.rcvif && ia->ia_ifp->if_flags & IFF_BOARDCAST) {
// 如果该IP的相关接口是接收接口，且该接口可用于接收广播数据
// 匹配上述的四种地址
if(ia->ia_broadaddr.sin_addr.s_addr == ip->ip_dst.s_addr) { // 与接收接口的定向网络地址相匹配
ip->ips_delivered++;
重组
查找协议交换表，交由上次协议（通过pr_input指针指向相应协议的接收函数，如：udp_input）
continue;
}
if(ia->ia_netbroadaddr.sin_addr.s_addr == ip->ip_dst.s_addr) { // 与接收接口的网络广播地址相匹配
// 同上
}
// 其它两个略写
}
匹配受限广播地址全1和全0，若匹配成功则重组交付上层协议
} // for
ip_forward(m);//没有匹配的IP，调用ip_forward尝试进行分组转发
}// while
}此外ipintr还进行IP选项处理，在其它章节说明。
2）ip_forward()数据包转发函数
该函数负责IP数据报的转发处理，真正的转发操作由ip_optput负责。ip_forward接收两个参数，一个是存有IP数据报的mbuf(一种缓存结构)，另一个是int srcrt，若非0则说明该分组设置了源路由选项，即设置了发送路径。
ip_forward函数对以下几种类型的数据报不进行转发：1.m_buf::flags设置了M_BCAST的分组，任何支持广播的网络接口必须为收到的广播分组设置M_BCAST标志。接口不转发链路层广播分组（注意：链路层广播分组与IP层广播是不同的概念）。2.对于目的地址是环回网络，网络0和E类地址，D类地址的不进行转发。D类多播地址由其它函数负责。理解了下面这两句话也就明白了链路层广播与IP广播的本质区别：链路层地址是用于发送至下一跳的，IP地址是为了寻找网络上的一点的。RFC 1122不允许以链路层广播的方式发送一个寻址到单播IP地址的分组（即以广播的方式搜索下一跳）。
值得注意的是当调用ip_output后，ip_forward会根据返回的值，来判断是否出错，若出错则回复相应的ICMP报文
【注】：只有报文需要转发时才会进入ip_forward，从而检查TTL,这样就解释了为什么是使用traceroute程序时主机不会恢复ICMP。
伪代码如下：
void ip_forward(mbuf *m, int srcrt)
{
struct ip *ip = mtod(m, struct ip*);
if(m->m_flags & M_BCAST || ip_canforward(ip->ip_dst)) { // ip_canforward用于检测前面说的几种不可转发的地址
// 丢弃报文
mfree(m);
return;
}
// 检查TTL
若ip->ip_ttl过小则回复ICMP超时报文。 // 只有报文需要转发时才会进入ip_forward，从而检查TTL
更新TTL
查找路由表进行转发
若无路由信息则回复ICMP不可达报文
// 发送
error = ip_output(m, xx,xx, IP_FORWARDEING | IP_ALLOWBROADCAST,0);
if(error == 0)
return;
// 根据错误信息回复ICMP报文
switch(error) {
case ENETUNREACH: // 直接相连的网络
case EHOSTUNREACH: // 未找到路由信息
case ENETDOWN: // 接口关闭
回复主机不可达报文；
break;
case EMSGSIZE: // 由于广播报文不支持分片，因此会出现广播报文大小大于MTU此时返回EMSGSIZE
回复ICMP不可达报文ICMP_UNREACH，不可达类型为：需要进行分片但设置了不分片比特（ICMP代码为4,ICMP_UNREACH_NEEDFRAG）
break;
case ENOBUFS: // 当接口层发送队列满时或申请mbuf失败
回复源端被关闭报文 ICMP_SOURCEQUENCH;
break;
}
}3）ip_output()数据报输出函数
ip_output接收两处的分组：ip_forward和运输层协议数据，该函数的处理只要分为3步：step1.IP首部的初始化；step2.路由选择;step3 源地址选择与分片。在进行IP首部初始化并根据路由找到外出接口后，根据接口的MTU对分组进行分片，至于如何分片在其它博文中做说明。但注意广播报文不可分片，若报文大小超过外出接口的MTU会将SMSGSIZE返回至调用函数，从而做出一些处理，如回复ICMP报文（若是转发），否则返回给应用，设置errno。若未指定源地址则ip_output函数会选择输出接口的IP地址作为源地址。（注：是不是可以自己伪造IP源地址）。最后ip_output函数将数据报教至接口层，通过函数指针if_output来调用不同类型接口的专用函数，如以太网是ether_output,调用如下：error = (*ifp->if_output)(...)。若出错则会返回至上层。
四 TCP/IP错误处理流程
上层协议会调用下层协议，调用下层协议时会出现一些错误，比如IP层调用接口层时可能出现接口层输出队列满，此时会向IP层返回ENOBUFS,若是发送端则直接将该错误返回给应用进程，且设置errno的值为errno，若是接收端或是中间节点，则会向源端ICMP报文ICMP_SOURCEQUENCH，当源端收到ICMP报文后会将其转化为相应的错误码，并交给相应进程。