IP协议报文结构

IP报文结构

• 4位版本号: 指定IP协议的版本, 对于IPv4来说, 就是4.

• 4位头部长度: IP头部的长度是多少个32bit, 也就是 length * 4 的字节数. 4bit表示最大的数字是15, 因此IP头部最大长度是60字节.

• 8位服务类型: 3位优先权字段(已经弃用) + 4位TOS字段 + 1位保留字段(必须置为0). 4位TOS分别表示: 最小延时, 最大吞吐量, 最高可靠性, 最小成本.。这四者相互冲突, 只能选择一个。 对ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的程序, 最大吞吐量比较重要.

• 16位总长度: IP数据报整体占多少个字节.

• 16位标识: IP 包的 ID ，全局自增，短时间内不会重复，主机发送的报文的唯一标识. 如果IP报文在数据链路层被分片了, 那么每一个片里面的这个id都是相同的.

• 3位标志字段:

  • 第一位：DF - Don’t Fragment 位，为1表示禁止分片, 这时候如果报文长度超过MTU, IP模块就会丢弃报文，为0则允许。
  • 第二位：MF - More Fragments 位，该位用于指示报文是否有后续分片。如果分片了的话, 最后一个分片置为0, 其他是1， 类似于一个结束标记。
  • 第三位：Fragment Offset 位，这些位标识分片在原始报文中的相对位置。它们与分片序号一起,用于重组时排序和定位分片。

• 13位分片偏移: 是分片相对于原始IP报文开始处的偏移. 其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置. 实际偏移的字节数是这个值 * 8 得到的. 因此, 除了最后一个报文之外, 其他报文的长度必须是8的整数倍(否则报文就不连续了)。
  这里解释一下为什么是13位片偏移：

  IP报头中的片偏移字段只有13位,如果以字节为单位,其能表示的偏移范围是:

  2^13 = 8191字节 = 8KB

  而IP数据报的总长度字段有16位,可以表示的总长度是:

  2^16 = 65535字节 = 64KB

  以字节为偏移单位,13位能表示的最大偏移量是8KB,如果数据报大于8KB,偏移字段会出现表示不足的情况。

  但偏移量以8字节为单位,13位就可以表示:

  8192 * 8 = 64KB

  正好与总长度字段的表示范围相同。

  所以出于表示范围的限制,偏移字段必须采用“以8字节为单位”的设计,即使最小分片也会多占用一点空间,这是对范围表示和分片处理的一个综合考量。

• 8位生存时间(TTL): 数据报到达目的地的最大报文跳数. 一般是64. 每次经过一个路由, TTL -= 1, 一直减到0还没到达, 那么就丢弃了. 这个字段主要是用来防止出现路由循环 。

• 8位协议: 表示上层协议的类型

• 16位头部校验和: 使用CRC进行校验, 来鉴别头部是否损坏.

• 32位源地址和32位目标地址: 表示发送端和接收端.

• 选项字段(不定长, 最多40字节)

IP如何区分有效载荷和报头

IP数据包中的报头和有效载荷主要可以通过以下两点进行区分:

1. 报头长度字段

IP头部有一个4位的"报头长度"字段,单位为4字节,它指明了当前报头包含的4字节段数量。

所以根据这个长度值就可以确定报头部分的字节数。

例如,如果报头长度值为5,则报头的大小是 5 * 4 = 20字节。

2. 报头固定格式

IP报头有固定的格式,共包含了10个标准字段,加上可选字段,最大长度为60字节。这些字段包含版本号、服务类型、总长度等信息。

每个字段的位置和长度是固定的。所以可以通过格式解析出报头的具体内容。

有效载荷部分则没有固定格式,它存放的是上层协议(TCP/UDP等)的报文。

为什么需要4位首部长度

IP报头的最小长度确实是20字节。之所以还需要在报头中指定长度,主要有以下两个原因:

1. IP报头长度可变

虽然最小长度是20字节,但IP头部中的可选字段使得其长度可以变化,最大可达60字节。这就需要长度字段来动态指示当前报头的实际长度。

2. 方便解析报文

在数据链路层,IP数据报会加上各种头部,形成帧。接收方需要先解析这些头部,才能获得IP报头的位置。如果每次都默认IP头部是20字节,解析就会非常不灵活。

所以,尽管最小长度固定是20字节,IP头部中还是有必要包含一个 LENGTH 字段,来动态指示当前报头的长度,这对解析报文和扩展协议都非常重要。