版本（Version）

• 占4位
• 数据报的IP协议版本
• 不同的IP版本使用不同的数据报格式
• 通过查看版本号，路由器能够确定如何解释IP数据报的剩余部分
• 0100=4  即：IPv4
• 0110=6  即：IPv6
   

首部长度（Header Length）

• 占4位，步长4B
• 最小值 0101=5，  即：5 * 4B = 20B
• 最大值1111=15，  即：15 * 4B = 60B
• 有可选项时，若首部长度不是4B的整数倍，必须利用最后的填充字段加以填充

为什么要有首部长度字段？

因为一个IP数据报的可选项字段的大小会发生变化，导致首部长度不固定。（大多数IP数据报不包含可选项，所以一般的IP数据报具有20B的首部）

 

服务类型（Type of Service, ToS）

• 占8位
• 指定特殊数据报的处理方式

ToS字段已经作为区分服务（Diffserv）架构的一部分被重新定义
在Diffserv下，数据报可以归类到不同的分类中
路由器根据分类，使用不同的优先级对数据报进行排序和转发

 

总长度（Total Length）

• 占16位，单位：字节
• 首部长度 + 数据长度
• 理论最大长度：2¹⁶-1 = 65535B

总长度 - 首部长度 = 数据的长度 用于确定数据部分从何处开始

 

标识（Identifier）

• 占16位
• 标识（Identifier）、标记（Flag）、片偏移（Fragment Offset） 这三个字段 用于数据报的分片

什么是分片？

此时，在网络层，有一个4000B的数据报，接下来它要经过数据链路层
数据链路层的帧有一个性质叫MTU（Maximum Transmission Unit），即：最大传送单元，以太网帧为1500B。也就是说，网络层下来的数据报，若是超过MTU，便要分片。

标识如何产生？

一个数据报在生成时，发送主机会为该数据报设置源和目的地址，同时也设置了标识号。发送主机通常将它发送的每个数据报的标识号加1。
当某路由器需要对一个数据报分片时，形成的每个数据报（即片）具有初始数据报的源地址、目的地址与标识号。
目的主机从同一发送主机收到一系列数据报后，根据标识号可以确定哪些数据报实际上是同一较大数据报的分片。

 

标记（Flag）

• 占3位

未定义	DF	MF
此位未定义作用	DF=0 可以分片 DF=1 不能对数据报进行分片	MF=0 此分片是最后一个分片 MF=1 不是最后一个分片

 

片偏移（Fragment Offset）

• 占13位，步长8B
• 某片在原数据报的相对位置，用于指明分片的起始点相对于报头起始点的偏移量

一个数据报总长度4000B，首部=20B，MTU=1500B，则数据报分了几片？每一片的MF标志位及片偏移是多少？

数据报 = 20B首部 + 3980B数据
每一个分片都要有20B的首部，所以分片的数据部分最大为1500B-20B=1480B
 

 

生存时间（Time To Live，TTL）

• 占8位
• 最多可经过的三层设备（如：路由器）的数量
• 为避免环路导致网络拥塞，数据报每经过一台三层设备，TTL值减1，然后判断TTL值是否为0，若为0，则丢弃数据报。

 

协议（Protocol）

• 占8位
• 表明数据报的数据部分应该交给哪一个上层协议

1	2	6	17	89
ICMP	IGMP	TCP	UDP	OSPF

 

首部检验和（Header Checksum）

• 占16位
• 帮助路由器检测收到的数据报中的比特错误。只检验首部，因为TCP、UDP等都有各自的检验和
• 由于每台路由器都会减少TTL值，所以每台路由器都必须重新计算检验和

 

源地址（Source Address）

• 占32位，4B

 

目的地址（Destination Address）

• 占32位，4B

 

可选项（Options）

• 允许IPv4数据报首部被扩展
• 很少使用，主要用于测试
• 常用的可选项如下：
  • 松散路由选择（Loose Source Routing）
  • 严格路由选择（Strict Source Routing）
  • 记录路由（Record Route）记录自己到过哪里
  • 时间戳（TimeStamp）记录到达的时间

 

参考资料

• 《TCP/IP路由技术》
• 《计算机网络-自顶向下方法》

IPv4数据报介绍

IPv3数据报结构

• 版本号。这4比特规定了数据包的IP协议版本。通过查看版本号，路由器能够确定如何 解释IP数据报的剩余部分。因为不同版本的IP数据包的格式是不一样的。
• 首部长度。 IPv4数据报可包含一些可变数量的选项（这些选项包括在ipv4数据报首部中），所以利用这4比特来确定IP数据报中载荷实际开始的地方。大多数IP数据报不会包含选项，所以IP数据报的首部一般是20字节。
• 服务类型。服务类型（TOS）比特包含在IPv4首部中，以便不同类型的IP数据报能够互相区别开来。例如将实时数据报（IP电话应用）与非实时流量（FTP)区别分开是有用的。提供特定等级的服务是由一个网络管理员对路由器确定配置的策略问题。
• 数据报长度。这是IP数据报的总长度（首部加上数据），按字节计。因为该字段长为16比特，所以IP数据报的理论最大长度为65535字节。
• 标识、标志、片偏移。这三个字段与所谓IP分片有关。待会会介绍，注意，IPv6不允许路由器对分组进行分片
• 寿命。（Time to live， TTL）寿命字段，用来确保数据报不会永远在网络中循环。**每当一台路由器处理数据报时，该字段的值减1。若TLL字段减为0，则该数据报必须舍弃。
• 协议。该字段通常当一个IP数据报到达其最终目的地时才会有用。该字段值指示了IP数据报的数据部分应该交给哪个特定的运输层协议。值为6表明数据部分要交给TCP、值为17表示数据交给UDP。
• 首部检验和。首部检验和用于帮助路由器检测收到的IP数据报的比特数。
• 源和目的IP地址。
• 选项。选项字段允许IP首部被扩展。
• 数据（有效载荷）。IP数据报中的数据字段包含要交付给目的地运输层报文段。

IP数据报分片

分片的原因

• 不是所有链路层协议能承载相同长度的网络层分组。

例如以太网帧能够承载不超过1500字节的数据，而某些广域网链路的帧能够承载不超过576字节的数据。一个链路层帧能够承载的最大数据量叫作最大传送单元（Maximun Transmission Unit）MTU。

• 因为每个IP数据报封装在链路层帧中从一台路由器传输到下一台路由器中，所以链路层协议的MTU严格地限制着IP数据报的长度。对IP数据报长度具有严格的限制并不是主要问题。
• 主要问题是在发送方与目的地路径上的每段链路可能使用不同的链路层协议，且每种协议可能具有不同的MTU。

情景想象

假定你从某条链路收到一个IP数据报，通过检查转发表确定处链路，并且该条出链路的MTU比IP数据报的长度小。那该怎么办？

解决办法

将IP数据报中的数据分片成两个或多个较小的IP数据报，用单独的链路层帧封装这些较小的IP数据报，然后通过输出链路发送这些帧。每个较小的数据报都被称为片。

分片方法

正如前面所说，要满足MTU的要求，就要把数据报分片去传输，那既然要分片，肯定就需要组装。为了不影响路由器的性能，设计者决定将这些数据报的重新组装工作放到端系统，而不是放在路由器。

标识、标志和片偏移字段

• 标识

当生成一个数据报时，发送主机在为该数据报设置源和目的地址的同时贴上标识号。发送主机为它发送的每个数据报的标识号加1。当目的地从同一发送主机收到一系列的数据报时，能够检查数据报的标识号来确定哪些数据报实际上是同一数据段的片。

• 标志

IP是一个不可靠的服务，一个或多个片可能永远到达不了目的地。为了让目的主机绝对地相信它已经收到它收到了初始数据段的最后一个片， 最后一个片的标志比特设置为0，其他它片的标志为1。

• 偏移字段

使用偏移字段指定该片应该放在初始IP数据报的哪个位置。

IPv6数据报格式

IPv6的变化。

• 扩大的地址容量，从ipv4的32比特增加到128比特。这样就确保了全世界不会用完ip地址 。
• 简化高效的40字节首部。许多Ipv4字段已被舍弃或作为选项。因而所形成的40字节定长首部允许路由器更快地处理IP数据报。
• 流标签。 该字段可用于“给属于特殊流的分组打上标签”，这些特殊流是发送方要求进行特殊处理的流，如一种非默认服务质量或需要实时服务的流。

让我们对比一下ipv4和ipv6数据报的结构。

Ipv6数据报的结构更加简单、更高效。

• 版本。该4比特字段用来表示IP版本号。ipv6将该字段设置为6。
• 流量类型。该8比特特殊字段和 IPv4的TOS（服务类型）字段的含义相似
• 流标签。该20比特用于标识一条数据报的流。对一条流中的数据报给出优先权。
• 有效载荷长度。和ipv4的数据报长度不一样，是40字节数据报首部后面的字节数量。
• 下一个首部。该字段标识数据报中的内容需要交给哪个协议，该字段使用与IPv4首部协议字段相同的值。
• 源地址和目的地址。变为128比特
• 数据。Ipv6数据报中的有效载荷部分。

ipv4的哪些东西在ipv6不复存在：

• 分片/重新组装。

IPv6不再允许在中间路由器进行分片与重新组装。如果路由器收到的ipv6数据报太大而不能被转发到链路上的话，路由器只需要丢掉该数据报，并向发送方发回一个“分组太大”的ICMP差错报文即可。于是发送方能够使用较小长度的IP数据报重发数据。分片/重新组装是一个耗时的操作，将该功能从路由器删除并放到端系统中，大大加快了网络中的IP转发速度。

• 首部校验和

运输层和数据链路层协议执行了校验操作。IP设计者可能绝对该项功能多余，所以将其去除。

• 选项

选项字段不再是ip首部的一部分了，但是它可能出现在IPv6首部中由“下一首部”执行的位置上。就像Tcp和udp协议首部能够是IP分组中 的“下一首部”一样，选项字段也能是“下一个首部”。

因特网网络层包括三个主要组件：
① IP 协议；
② 路由选择部分，它决定了数据分组从源到目的所流经的路径，由路由选择协议计算出用于网络中转发分组的 转发表；
③ ICMP 协议，即互联网控制报文协议，用于网络层的差错和信息报告。ICMP 协议可以看作是 IP 协议的伴随协议，通常实现 IP 协议的同时也需要实现 ICMP 协议。

IPv4 数据报

IPv4 数据报格式

IPv4数据报中的关键字段如下：

• 版本号字段占 4 位：IP 协议的版本号。如 4 指 IPv4协议，6 指 IPv6 协议。
• 首部长度字段占 4 位：IP 分组首部长度，以 4 字节位单位。大多数 IP 数据报不包含选项字段，所以一般的 IP 数据报具有 20 字节的首部，即该字段为 5。
• 服务类型（TOS）字段占 8 位：指示期望获得哪种类型的服务，以便对时延、吞吐量或可靠性等有要求的数据报能互相区别开来。只有在网络提供区分服务（DiffServ）时才使用该字段，一般情况下不使用，通常该字段的值为零。
• 总长度字段占 16 位：IP 分组的总字节数（首部+数据），以字节为单位。因为该字段长 16 位，所以 IP 数据报的理论最大长度位 65535 字节。然而受最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU）的限制，达不到这么大的分组长度。
• 标识、标志位、片偏移与 IP 数据报分片有关。
• 生存时间（TTL）字段占 8 位：IP 分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）。每当数据报由一台路由器处理时，该字段的值减 1。若 TTL 字段减为 0，则该数据报必须丢弃（并向源主机发送 ICMP 报文）。
• 协议字段占 8 位：指示 IP 数据报的数据部分应交给哪个特定的传输层协议，仅在 IP 数据报到达其最终目的地才会有用，用于实现多路复用 / 分用。例如，值为 6 表明数据部分要交给 TCP，值为 17 表明数据要交给 UDP，值为 1 表明数据要交给 ICMP。
• 首部校验和字段占 16 位，实现对 IP 分组首部的差错检测。与 UDP 校验和计算是一样的。逐跳计算，逐跳检验。
• 源 IP 地址、目的 IP 地址字段各占 32 位：分别标识发送分组的源主机 / 路由器（网络接口）和接收分组的目的主机 / 路由器（网络接口）的 IP 地址。
• 选项字段长度可变，范围在 0~40 字节之间：携带安全、源选路径、时间戳和路有记录等内容，实际上很少被使用。
• 填充字段长度可变，范围在 0~3 字节之间：目的是补齐整个首部，符合 32 位对其，即保证首部长度是 4 字节的倍数。

IP 数据报分片

并不是所有的链路层协议都能承载相同长度的网络层分组，网络链路存在最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU），指该链路数据帧可封装数据的上限，因此链路层协议的 MTU 严格地限制着 IP 数据报的长度。不同链路的 MTU 可能是不相同的。例如，以太网帧能够承载不超过 1500 字节的数据，某些广域网链路地帧可承载不超过 576 字节的数据。

当大的 IP 分组向较小 MTU 链路转发时，可以被“分片”，IP 分片到达目的主机后进行“重组”（路由器只负责分片，不负责组装）。IP 首部的相关字段（总长度、标识、标志位和片偏移）用于标识分片以及确定分片的相对顺序：

• 标识字段占 16 位：标识一个 IP 分组。
  IP 协议利用一个计数器，发送主机每产生 IP 分组计数器加 1，作为该 IP 分组的标识。当某路由器需要对一个数据报分片时，形成的每个分片具有初始数据报的源地址、目的地址和标识号。

• 标志位字段占 3 位。
  DF(Don’t Fragment) 为 1 表示禁止分片；
  MF(More Fragment) 为 1 表示已经分片了，且该分片非最后一片；MF 为 0 则表示该分片为最后一片或未分片（通过下一个片偏移字段区分）。
  

• 片偏移字段占 13 位：一个 IP 分组分片封装原 IP 分组数据的相对偏移量，以 8 字节为单位。

假设原 IP 分组总长度为 $L$，待转发链路的 MTU 为 $M$，若 $L>M$ 且 $DF=0$，则可以 / 需要分片：每个分片具有初始数据报的源地址、目的地址和标识号。通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为 MTU 允许的最大分片，一个最大分片可封装的数据应该是 8 的倍数（由于片偏移字段以 8 字节为单位），因此一个最大分片可封装的数据字节数为：
$$d=\lfloor \frac{M-20}{8}\rfloor \ast 8$$需要的总片数为：
$$n=\lceil \frac{L-20}{d}\rceil$$每片的片偏移字段取值为：
$$F_i=\frac{d}{8}\ast (i-1),1\le i\le n$$每片的总长度字段取值为：
$$L_i=\{\begin{array}{lc}d+20& 1\le i<n\\ L-(n-1)d& i=n\end{array}$$每片的 MF 标志位为：
$${\text{MF}}_i=\{\begin{array}{lc}1& 1\le i<n\\ 0& i=n\end{array}$$举例：

下面的例子中，原 IP 分组总长度为 4000 字节，链路层 MTU 为 1500 字节，DF=0 表示可以分片。那么一个最大分片可封装的数据恰好为 1500-20 = 1480 字节（为 8 的倍数），因此原数据报可以分为 3 片。