IP 数据报结构和各字段含义

IP 数据报位于 OSI 七层模型中的网络层，对应与 TCP/IP 四层模型中的网络层（也称网际层）。网络层用来处理网络上流动的数据包（网络传输中最小的数据单元），规定了怎样的路径把数据包传输到目标计算机，并把数据包传送给对方。（与 tcp/ip 协议密切相关的有 IP 协议、ARP 协议、RARP 协议）。IP 协议就在这里，它负责对数据加上 IP 地址和其他的数据，以确定传输的目标，和相邻计算机之间的通信。

其功能包括三方面：

1. 处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入 IP 数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。
2. 处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行寻径。假如该数据报已到达信宿机，则去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿，则转发该数据报。
3. 处理路径、流控、拥塞等问题。

IP协议：Internetworking Protocol（网间网协议），IP是跨越网络传送数据包，使整个互联网都能收到数据的协议。IP也是分组交换的一种协议，但是它不具备重发机制，因此它是不可靠传输协议。

IPv4：头部由 20bytes 定长和一个可选的变长部分（小于等于 40bytes ）组成，其中包括 32 位记录源端IP地址，32 位记录目的端 IP 地址。所有内容长度最大为 2¹⁶-1=65535bytes。

IP数据报的具体结构和解析如下：

通过 Wireshark 抓取的一个 IPv4 的数据报片段示例如下：

Internet Protocol Version 4, Src: 192.168.43.69, Dst: 220.181.38.148
    0100 .... = Version: 4
    .... 0101 = Header Length: 20 bytes (5)
    Differentiated Services Field: 0x00 (DSCP: CS0, ECN: Not-ECT)
        0000 00.. = Differentiated Services Codepoint: Default (0)
        .... ..00 = Explicit Congestion Notification: Not ECN-Capable Transport (0)
    Total Length: 669
    Identification: 0x989b (39067)
    Flags: 0x40, Don't fragment
        0... .... = Reserved bit: Not set
        .1.. .... = Don't fragment: Set
        ..0. .... = More fragments: Not set
    ...0 0000 0000 0000 = Fragment Offset: 0
    Time to Live: 128
    Protocol: TCP (6)
    Header Checksum: 0x7088 [validation disabled]
    [Header checksum status: Unverified]
    Source Address: 192.168.43.69
    Destination Address: 220.181.38.148

注意：上面描述的首部，不包括选项字段的 IP 头部长度为 20bytes（1byte=8bits）长度，最高位在左边，记为 0bit。最低位在右边，记为 31bits。采用 “大端” byte 序进行传输，也就是对于 4bytes 的 32bits 数据，从高位byte（0bit）开始传输 0～7，8～15，15～23，24～31bits。各字段的含义如下：

• 版本：4bits，0100 值为4代表 IPv4。
• 首部长度：4bits，占4位，指的是包括选项字段在内的 IP 首部长度。首部单位长度为4个 byte，以有多少组 4bytes 字组来表达 header 的长度。从0000~1111，当“首部长度”表示为0001时，首部的长度是1（4bytes）。首部最大长度为15（60bytes）。
• 服务类型(区分服务)：8bits，前 3bits 优先级字段（现在已经不用了），后 4bits TOS字段， 最后 1bit 备用位。4bits TOS位分别代表：第一位D（delay）最小时延、T（throughput）最大吞吐量、R（reliability）最高可靠性和C（cost）最小费用，只能设置其中 1bit，如果所有 4bits 均为0，那么就表示是一般服务。在抓包中显示Differentiated Services Field，叫差分服务，或叫区分服务。
• 总长度：16bits，包括首部和数据部分。能表示的最大长度为 65535（2¹⁶-1）。且这个字段是必须的，当 IP 数据包小于 46bytes 时在以太网帧中数据将会被填充到 46bytes ，这时候如果没有这个字段我们接收到帧后便不能得到正确的 IP 数据包。
• 标识：16bits，它是一个计数器，用来产生数据报文的标识。数据报文在分片时标志会被复制到每一个分片中。
• 标志：3bits，第一位 0bit 保留；中间位DF（Don’t Fragment），DF=0 表示能分片，DF=1 表示不能分片。最低位为MF（More Fragment） ，MF=1 表示后面还在传输数据报的分片， MF=0 表示最后一个报文段。
• (片)偏移：13bits，用于数据包分片和重组。13 位(片)偏移字段，较长的分组在分片后，某片在原来分组中的相对位置。分片偏移以 8bytes 做为计量单位，第一个分片偏移为 0。所以当 Fragment Offset 为0时，表示这个数据报文没有分片，或者第一个分片。
• 生存时间（TTL）：8bits，意为Time To Live，表明是数据报在网络中的寿命，单位为秒设置了数据包可以经过的最多路由器数量。
• 协议：8bits，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。网络层以上的高层协议有 TCP，UDP，OSPF，EGP，IGMP，ICMP 等。
• 首部校验和：16bits，校验数据报的首部根据 IP 首部计算的检验和码，它不对首部后面的数据进行计算。采用的是 16bits 二进制反码求和。在上面的 Wireshark 中的 Header Checksum 显示validation disabled，表示这个软件关闭校验和的抓包功能。如果开启该功能，会显示 good 或 bad。
• 源地址：32bits，源主机的 IP 地址。
• 目的地址：32bits，目标主机的 IP 地址。
• 可项字段：最多 40bytes，IP首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全等措施，内容很丰富。选项字段的长度可变，取决于所选择的项目。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。这就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。