计算机网络（18）——IPv4 数据报格式及分片

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。