IPv4 报文格式

今天上课讲到这，感觉老师讲的挺好的，一些设计原理也讲的比较细致，特此记录一下。

首先 IPv4 整体报文格式如下（图来自 https://wenku.baidu.com/view/78c7a218590216fc700abb68a98271fe910eaf38.html）：

因为书上网上讲 IPv4 的很多了，这里主要讲一些它们可能没提到或者我感兴趣的部分，所以看之前最好已经对这部分有一定了解。不想看全文的话，可以拖到最底下，那里是我写本文的主要目的。

版本号

IPv4 这部分填 4，IPv6 填 6

报头长度

报头长度字段占 4 位。其中每位的单位是 4 字节¹。报头包括任选项。由于它是一个 4 位字段，因此报头最长为 60 字节。

对于一般数据报（没有任何 IP 选项），该字段的值为 5，即报头长度为 20 字节。

报头长度的计算公式为：报头长度 = 基本长度（20 字节）+ IP 选项长度

总长度

总长度字段是指整个 IP 数据报的长度，以字节为单位，占 16 比特。

由于该字段的长度为 16 比特，所以 IP 数据报的最大长度可达到 65536 字节。但是由于底层传输时对每次传送报文的长度有限制，当 IP 数据报的长度超过这个限制的时候²，传送这个数据报就得分片传送。例如，通常较为典型的用于以太网的该字段最大长度为 1500 字节。其中每片的区分靠 标识、标志和偏移量³ 这三项来区分。当数据报分片的时候，总长度字段的值也应该变化成此片的长度，而不是 IP 数据报的总长度。

尽管 IP 支持传输一个长达 65536 字节的数据报，但是大多数的数据链路层都会对它进行分片处理；而且主机也要求不能接收超过 576 字节的数据报。由于 TCP 把用户数据报划分为若干段，因此一般来说这一点不会影响 TCP 的使用。另外大量使用 UDP 的应用（RIP、TFTP、BOOTP、DNS、SNMP 等等），它们都限制用户数据报长度为 512 字节，小于 576 字节，因此 IP 的这种限制也不会影响 UDP 的使用。

总长度的计算公式为：总长度 = 报头长度 + 数据长度

标识字段

标识字段相当于每个 IP 数据报的 ID，用于唯一的标识主机发送的每一个数据报。当一个数据报由于太长而被分片的时候，每片的标识都是一样的，这样目的主机可以知道这些分片的数据报是一个整体。

通常每发送一个报文，其值自动加一，当达到最大值时，重新从 0 开始编号。

标志字段

标志字段有三位，第一个字段没有使用。剩下两个字段如下：

DF 位被置 1 表示不要分片，它命令路由器不要将数据报分片，因为目的端不能重组分片。

分片偏移

分片偏移说明该分片在当前数据报的位置。分片偏移以 8 字节为单位⁴，这样偏移量 1 对应字节号 8，偏移量 2 对应字节号 16，依此类推。

例：假设网络的 MTU（最大传输单位）为 1400 字节。因此路由器将把到达的一个 4000 字节分为 3 片：

• 第一段有 1400 字节数据，分片偏移为 0
• 第二段有 1400 字节数据，分片偏移为 175
• 第三段有 1200 字节数据，分片偏移为 350

IP 选项

IP 选项这个字段是数据报中一个可变长度的可选信息，最大为 40 字节。当前这些选项定义如下：

1. 安全和处理限制（用于军事领域，详见 RFC1108）
2. 记录路径（让每个路由器都记下该数据报的 IP 地址）
3. 时间戳（让每个路由器都记下该数据报的 IP 地址和时间）
4. 宽松的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的 IP 地址）
5. 严格的源站选路（为数据报指定一系列必须经过的 IP 地址，但是要求只能经过指定的这些地址，不能经过其他地址）

这些选项很少使用，并非所有的轴距和路由器都支持这些选项。

选项字段都是以 32 位，即 4 字节作为界限，在必要的时候插入值为 0 的填充字节，这样就能保证 IP 报头始终是 32 位的整数倍（这是报头长度字段要求的，因为报头长度字段每位代表 4 字节，即 32 位）

---

1. 如果我们以 1 字节为单位的话，4 位报头长度可以表示 0-15 字节长度的报头。但是我们最小的数据报长度为 20 字节，以 1 字节为单位表示不了。经过一些衡量就设计为以 4 字节为单位，这样就可以表示 0 * 4 - 15 * 4 即 0-60 字节长度的报头。 ↩︎

2. 对于这个限制我们可以使用 ping -f -l 字节数 目的IP 来复现，其中 -f 指定不要分片，-l 指定发送报文的长度，我们可以指定一个 2000 字节之类的。这样的话，会提示一个错误 需要拆分数据包但是设置 DF 。这就表明每个数据报其实有个长度限制。 ↩︎

3. 同属于一个数据报的分片它们标识字段相同，目的主机就可以通过此字段将数据报分类。而每个分片的偏移量不同，目的主机就可以按此字节排序，来还原数据报。最后通过标志字段得到最后一片，从而完整的恢复数据报。 ↩︎

4. 因为如果以 1 字节为单位，共 13 位最多只能表示处于当前数据报 $2^{13}$ 字节处的分片。而我们知道一个数据报长度是用 16 位表示的，即最大 $2^{16}$ 字节。想要用 $2^{13}$ 字节表示完全 $2^{16}$ 字节，我们就得构造一个 $2^3$ 字节的映射，即分片偏移的每个字节代表总长度的 8 个字节。也正是因为这个原因，我们在划分分片大小的时候最好都划分成 8 的倍数。 ↩︎