网络工程师（43）IP数据报

前言

IP数据报是互联网传输控制协议（Internet Protocol，IP）的数据报格式，由首部和数据两部分组成。

一、首部

IP数据报的首部是控制部分，包含了数据报传输和处理所需的各种信息。首部可以分为固定部分和可变部分。

固定部分：

版本：占4位，指IP协议的版本。目前广泛使用的协议版本号为4（即IPv4）。通信双方的协议版本必须一致。
首部长度：占4位，表示数据报首部的长度。因首部长度可表示的最大数值是15个单位（每单位为4字节），所以IP的首部长度的最大值为60字节。
区分服务：占8位，表示对数据报的服务要求。该字段在旧标准中叫做服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998年IETF把这个字段改名为区分服务DS（Differentiated Services）。只有在使用区分服务时，这个字段才起作用。其中，前三位表示优先级（0~7，0最低），D、T、R和C分别表示对时延、吞吐量、可靠性和路由服务费用有选择的要求。最后一位未用。
总长度：占16位，指整个数据报（包括首部和数据）的长度，单位为字节。数据报的最大长度为65535字节（64KB）。这个字段很重要，因为数据报在传输过程中需要被封装成链路层的帧，而帧有自己的最大传输单元MTU（Maximum Transfer Unit）。如果数据报的总长度超过了MTU，那么就需要对数据报进行分片。
标识：占16位，用于数据报各分片最终被重装成原来的数据报。它是一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将此值赋给标识字段。目的主机将相同标识字段值的各分片数据报最后进行正确地重装（合片）。
标志：占3位，但只有后两位有意义。最低位记作MF（More Fragment），MF=1表示后面“还有分片”，MF=0表示已是最后一个分片。次低位是DF（Don't Fragment），用来控制是否允许数据报分片。只有DF=0才允许分片。
片偏移：占13位，指较长的分组在分片后某片在原分组中的相对位置。也就是说，相对于用户数据字段的起点，该片从何处开始，以便目的主机重装数据报。片偏移以8个字节为偏移单位，即每个分片的长度一定是8字节（64位）的整数倍。
生存时间：占8位，记为TTL（Time To Live），表示该数据所在网络中的寿命。其单位最初是秒，但为了方便，现在都用“跳数”作为TTL的单位。数据报每经过一个路由器，其TTL值就减1，当TTL值减为零时，就丢弃这个数据报。
协议：占8位，协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。
首部检验和：占16位，这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。这是因为数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和（一些字段，如生存时间、标志、片偏移等都可能发生变化）。不检验数据部分可减少计算的工作量。
源地址：占32位，表示数据报的发送方地址。
目的地址：占32位，表示数据报的接收方地址。

可变部分：

可变部分是一个可选字段，其长度可变，从1个字节到40个字节不等，取决于所选择的项目。选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。此字段包括安全和处理限制（用于军事领域）、记录路径（让每个路由器都记下它的IP地址）、时间戳（让每个路由器都记下IP数据报经过每一个路由器的IP地址和当地时间）、宽松的源站路由（Loose Source Route）（为数据报指定一系列必须经过的IP地址）以及严格的源站路由（Strict Source Route）（与宽松的源站路由类似，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他的地址）等。
增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能，但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的，增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用，新的IP版本IPv6就将IP数据报的首部长度做成固定的。

二、数据部分

数据部分是高层需要传输的数据。在IP数据报中，数据部分紧跟在首部之后，其长度由总长度字段减去首部长度字段得到。

三、IP数据报的工作原理

封装与发送：在源主机上，传输层的数据交给IP协议后，IP协议要在其前面加上一个IP报头（即首部），用于控制对数据的转发和处理等。然后，通过地址解析协议ARP将目的IP地址映射为物理地址，把IP数据报嵌入数据链路层帧中，交由数据链路层完成将其发送到网络上的工作。

寻址与路由：当IP数据报在网间穿行时，网络上的IP协议需要对它进行寻址和路由选择，以使其正确到达目的地。

分段与重组：

分段：如果一个路由器收到一个IP数据报，其长度对下一个物理网络来讲太长，那么就由IP协议将它分成若干个段。分段可以在任何需要的中间路由器上进行。在IP报头中，用标识符、标志和片偏移三个字段来实现对报文的分段。
重组：当这些分段到达目的主机时，由端系统中的IP层将其重组成源IP数据报，然后传至传输层处理。

流量控制：IP层还提供初步的流量控制。如果由于IP分组到达主机或路由器太快而被丢弃时，IP层就会发送一个ICMP源抑制报文给发送端，告诉它数据发得太快了。