Author: Xu FC
References:
https://tools.ietf.org/html/rfc791
https://tools.ietf.org/html/rfc1393
http://www.iana.org/assignments/ip-parameters/ip-parameters.xhtml
http://www.bogpeople.com/networking/dscp.shtml
https://blog.csdn.net/u011784495/article/details/71636993
http://www.rhyshaden.com/ipdgram.htm
http://www.tcpipguide.com/free/t_IPDatagramOptionsandOptionFormat-2.htm

IPv4 报文头格式

字段	长度 (bits)	含义
Version	4	IP 协议版本号
Header Length	4	IPv4 首部长度
Type of Service	8	区分服务, 与 IP 优先级相关
Total length	16	总长度，包括 header 和 payload
Identification	16	标识，数据报的标识，分片数据报的各分片标识相同
Flags	3	标志，与分片相关
Fragment Offset	13	片偏移，与分片相关
Time to Live	8	数据报在传输中的跳数限制
Protocol	8	协议，上一层封装的协议号
Header Checksum	16	首部校验和，只校验首部，不包含数据部分
Source IP Address	32	源 IP
Destination IP Address	32	目的 IP
Options	0~40	选项字段，必须是 4 字节的倍数,否则以 0 填充
Data		填充报文

Version - 版本号

4 bits

0x4: IPv4， ethernetII type 为 0x0800
0x6: IPv6， ethernetII type 为 0x86dd

Header Length - 首部长度

4 bits

IPv4 首部长度，1 个单位代表 4 个字节，在没有选项的情况下，IPv4 首部长度为 5，即固定长度 20 字节（从 version 到 destination IP address），报头长度必须是 4 字节的整数倍，如果不是，需要填充 PAD 补 0 凑齐。

PAD

Type of Service - 服务类型

8 bits

|0|1|2|3|4|5|6|7|

前 6 位 (0~5, RFC 2474) : 区分服务码点 (DSCP - Different Services Code Point), 是 IP 优先级和服务类型字段的组合。

ToS

第 0~2 位 (优先级从高到低)
- 111：Network Control
- 110：Internetwork Control
- 101：Critic/ECP
- 100：Flash Override
- 011：Flash
- 010：Immediate
- 001：Priority - 优先
- 000：Routine - 常规
第 3 位
- 1：Low delay - 低延迟
- 0：Normal delay - 正常延迟
第 4 位
- 1：High Throughput - 高吞吐量
- 0：Normal Throughput - 正常吞吐量
第 5 位
- 1：High Reliability - 高可靠性
- 0：Normal Reliability - 正常可靠性

后 2 位 (RFC 3168)：拥塞通知 (ECN - Explicit Congestion Notification)。

第 6 位
- 1：Minimise monetary cost (RFC 1349)
- 0
第 7 位
- 0：必需为 0

IP 优先级表

CS: 类选择器 (Class Selector) (RFC 2474) - 同一 class 的优先级相同
AFxy: 保证转发 (Assured Forwarding) (x=class, y=drop precedence) (RFC 2579 - Textual Conventions for SMIv2) - MIB 相关
EF: 加急转发 (Expedited Forwarding) (RFC 3246) - 快速转发 PHB (Per-Hop Behavior)，低延迟、低抖动、低损耗

DSCP	Binary	IP Precedence
CS0	000 000	0
CS1	001 000	1
AF11	001 010	1
AF12	001 100	1
AF13	001 110	1
CS2	010 000	2
AF21	010 010	2
AF22	010 100	2
AF23	010 110	2
CS3	011 000	3
AF31	011 010	3
AF32	011 100	3
AF33	011 110	3
CS4	100 000	4
AF41	100 010	4
AF42	100 100	4
AF43	100 110	4
CS5	101 000	5
EF	101 110	5
CS6	110 000	6
CS7	111 000	7

Total length - 总长度

16 bits

总长度 = IP 头部长度 + 数据长度
16 bit 能表示的最大长度为 65535 字节（2 的 16 次方 - 1），超过该长度的报文可以通过 IP 分片进行构造。

Identification - 标识

16 bits

每个数据报有唯一标识，每次加1，同一个数据报产生分片，所有分片的标识相同，给分片重组作为依据。

Flags - 标志

3 bits

|0|1|2|

分片标志：

第 0 位 - Reserved，没有使用，保持为 0；
第 1 位 - DF (Don't Fragment)
- DF = 1：不允许分片
- DF = 0：允许分片
第 2 位 - MF (More Fragment)
- MF = 1：表示后面有分片
- MF = 0：表示当前是最后一个分片

Fragment Offset - 片偏移

13 bits

表示在当前分片在数据报的位置，如果没有分片，该字段为 0 ；如果有分片，首片片偏移为 0，偏移的一个单位表示 8 字节，因此非尾片的数据部分需是 8 字节的整数倍，如果当前分片为第二片，首片数据部分为 24 字节，即结束位置为第 24 * 8 - 1 = 191 位，因此当前分片的片偏移为 3，即起始位置为第 3 * 8 * 8 = 192 位。

首片

当前分片，片偏移为 3

Time to Live (TTL) - 生存时间

8 bits

表示该报文传输中允许经过的跳数，没经过一个路由器，该值就减 1 ，当 TTL = 0 时，丢弃这个报文，从而阻止报文在网络上无限传输。TTL 最大值为 255 (2 的 8 次方 -1）。

Protocol - 上层协议

8 bits

告诉主机的 IP 层应该将数据交给哪个上层处理过程。

Header Checksum - 首部校验和

16 bits

用于IP首部校验，校验失败则丢弃该报文。

Source IP Address

32 bits

发送端 IP 地址。
Web 应用中，源 IP 不能是受限广播 IP。

Destination IP Address

32 bits

接收端 IP 地址。
255.255.255.255 为受限广播，路由器将丢弃该报文。
x.x.x.255 直接广播，该报文将被发送到 x.x.x.0/24 子网的每一台主机上。

Options - 选项

可选的 IP 报头字段。
选项长度需要是 4 字节的整数倍，非整数倍将 PAD 填充。

Option type
- Copy flag - 1 bit：
  - 0：如果报文分片，该选项将不被复制到每个分片中；
  - 1：如果报文分片，该选项将被复制到每个分片中；
- Option class - 2 bits：只使用了 0 和 2
  - 0：控制；
  - 2：For debugging and measurement；
- Option number - 5 bits：类似于协议号，指明是什么选项；
- Option length - 8 bits：该选项的整个长度，即从 type 起始到 data 结束的长度，1 个单位代表 1 字节；
- Option data - 详细见 RFC 791；

Copy	Class	Option Number	Length (字节)	Description
0	0	0	-	EOOP - End of Options List, 无长度和数据，用于标记选项列表的结尾。
0	0	1	-	NOP - No Operation (忽略选项)，无长度和数据，用于对齐 IP 头中 32 位边界对齐的内部填充。
1	0	2	11	SEC - Security（IP 安全性选项），用于指定 IP 数据包的安全性分类。
1	0	3	可变	LSR - Loose Source Route (松散路由)，向目的转发时指定路由，网关可以不遵守。
0	2	4	可变	TS - Time Stamp（时间戳），与 RR 类似，只是将路由改为时间戳，每个路由器都插入时间戳，用来查看路由之前的传输时长。
1	0	5		E-SEC - Extended Security（扩展安全选项），与基本安全选项一起使用，附加安全标签信息。
1	0	6		CIPSO - Commercial Security（商业安全）
0	0	7	可变	RR - Record Route（记录路由），记录数据报走过的每个路由，长度由始发设备设置，不能被放大，如果到达目的前被填满，则只会记录部分路由。
1	0	8	4	SID - Stream ID（流），在不支持流概念的网络中传输 16 位 SATNET 流标识
1	0	9	可变	SSR - Strict Source Route（严格源路由），指定路由，路由器必须按照该路由进行转发，并且在转发过程中将源路由替换为路由器地址。
0	0	10		ZSU - Experimental Measurement（实验测量）
0	0	11		MTUP - MTU Probe，用于从非分片数据报传输的网络路径中找到最低 MTU，MTU 值将在 MTU Reply 中返回。已过时。
0	0	12		MTUR - MTU Reply，已过时。
1	2	13		FINN - Experimental Flow Control（实验测量控制）
1	0	14		VISA - Experimental Access Control（实验访问控制）
0	0	15		ENCODE（用于围绕 IP 层加密实验）
1	0	16		IMITD - IMI Traffic Descriptor（IMI 流量描述符）
1	0	17		EIP - Extended Internet Protocol（扩展互联网协议）
0	2	18	12	TR - Traceroute（跟踪路由），路由器将 ICMP Traceroute 消息发送给始发主机，从而告诉发起方传输路径。RFC 1393。
1	0	19	10	ADDEXT - Address Extension（地址扩展），用于载入 IPv4 地址转换为 IPv7 地址所需附加字节。
1	0	20	4	RTRALT - Router Alert（路由报警），通知中转路由器更仔细的检查 IP 数据报的内容。
1	0	21	6~38	SDB - Selective Directed Broadcast（选择性定向广播模式），为 IPv4 数据报的选项字段包含的一组 IP 地址提供 UDP 传输。
1	0	22		unassigned
1	0	23		DPS - Dynamic Packet State（动态分组状态）
1	0	24		UMP - Upstream Multicast Pkt（上游组播包）
0	0	25		QS - Quick-Start（快速开始）
0	0	30		EXP - RFC 3682
0	2	30		EXP - RFC 3682
1	0	30		EXP - RFC 3682
1	2	30		EXP - RFC 3682

EOOL - End of Options List

无长度和数据，用于标记选项列表的结尾。

+--------+
|00000000|
+--------+

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 0

NOP - No Operation (忽略选项)

无长度和数据，用于对齐 IP 头中 32 位边界对齐的内部填充。

+--------+
|00000001|
+--------+

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 1

NOP

LSR - Loose Source Route (松散路由)

向目的转发时指定路由，网关可以不遵守。

+--------+--------+--------+---------//--------+
|10000011| length | pointer|     route data    |
+--------+--------+--------+---------//--------+

Copy - 1 bit: 1
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 3

Length - 8 bits
Pointer - 8 bits
Route data

LSR

TS - Time Stamp（时间戳）

与 RR 类似，只是将路由改为时间戳，每个路由器都插入时间戳，用来查看路由之前的传输时长。
为了不暴露内网路径相关信息，防火墙应丢弃携带 TS Option 的报文。

+--------+--------+--------+--------+
|01000100| length | pointer|oflw|flg|
+--------+--------+--------+--------+
|         internet address          |
+--------+--------+--------+--------+
|             timestamp             |
+--------+--------+--------+--------+
|                 .                 |
                  .
                  .

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 1
Number - 5 bits: 4

Length - 8 bits
Pointer - 8 bits：指向下一个时间戳记录添加位置。
Overflow - 4 bits：由于缺少空间而无法记录时间戳的跳数。
Flag - 4 bits：
    0: 只记录时间戳
    1: 记录 IP 地址和时间戳
    3: 提前指定 IP 地址，当前网络节点匹配该 IP 时，记录该时间戳

RR - Record Route（记录路由）

记录数据报走过的每个路由，长度由始发设备设置，不能被放大，如果到达目的前被填满，则只会记录部分路由。
为了不暴露内网路径，防火墙应丢弃携带 RR Option 的报文。

+--------+--------+--------+---------//--------+
|00000111| length | pointer|     route data    |
+--------+--------+--------+---------//--------+

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 7

Pointer - 8 bits: 指向下一个路由记录添加位置。

SSR - Strict Source Route（严格源路由）

指定路由，路由器必须按照该路由进行转发，并且在转发过程中将源路由替换为路由器地址。

+--------+--------+--------+---------//--------+
|10001001| length | pointer|     route data    |
+--------+--------+--------+---------//--------+

Copy - 1 bit: 1
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 9

SSR

TR - Traceroute（跟踪路由）

路由器将 ICMP Traceroute 消息发送给始发主机，从而告诉发起方传输路径。

+--------+--------+--------+--------+
|01010010| Length |    ID Number    |
+--------+--------+--------+--------+
|Outbound Hop Count|Return Hop Count|
+--------+--------+--------+--------+
|      Originator IP Address        |
+--------+--------+--------+--------+

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 2
Number - 5 bits: 18

IPv4 报文头

IPv4 报文头格式

Version - 版本号

Header Length - 首部长度

Type of Service - 服务类型

Total length - 总长度

Identification - 标识

Flags - 标志

Fragment Offset - 片偏移

Time to Live (TTL) - 生存时间

Protocol - 上层协议

Header Checksum - 首部校验和

Source IP Address

Destination IP Address

Options - 选项

EOOL - End of Options List

NOP - No Operation (忽略选项)

LSR - Loose Source Route (松散路由)

TS - Time Stamp（时间戳）

RR - Record Route（记录路由）

SSR - Strict Source Route（严格源路由）

TR - Traceroute（跟踪路由）

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