• 獲取pdf：密碼7281
• 專欄目錄首頁(yè)：【專欄必讀】考研湖科大教書(shū)匠計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)筆記導(dǎo)航

本節(jié)對(duì)應(yīng)視頻如下

• 【計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)微課堂（有字幕無(wú)背景音樂(lè)版）】：IPv4數(shù)據(jù)報(bào)首部格式

一：IP數(shù)據(jù)報(bào)首部格式概述

IP數(shù)據(jù)報(bào)首部格式：一個(gè)IP分組由首部和數(shù)據(jù)載荷兩部分組成。IP數(shù)據(jù)報(bào)首部由固定部分（20B）和可變部分（最大40B）

• 固定部分：每個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)首部所必須包含的部分
• 可變部分：用于增加IP數(shù)據(jù)報(bào)的功能

IP數(shù)據(jù)報(bào)常以32個(gè)比特為單位（4B）進(jìn)行描述，也即下圖中的每一行，其中每個(gè)小格子稱之為字段（或域），每個(gè)字段或某些字段的組合用來(lái)表達(dá)IP協(xié)議的相關(guān)功能

二：各字段作用概述

（1）版本

版本：占4個(gè)比特，表示IP協(xié)議的版本，通信雙方使用的IP協(xié)議版本必須一致。目前廣泛使用的IP協(xié)議版本號(hào)為4，也即IPv4

（2）首部長(zhǎng)度和可選字段

首部長(zhǎng)度：占4個(gè)比特，表示IP數(shù)據(jù)報(bào)首部的長(zhǎng)度，該字段取值以4B為單位

• 最小十進(jìn)制取值為5，表示IP數(shù)據(jù)報(bào)首部只有20B的固定部分
• 最大十進(jìn)制取值為15，表示IP數(shù)據(jù)報(bào)首部包含20B的固定部分和最大40B的可變部分

可選字段： 占1B到40B不等，用來(lái)支持排錯(cuò)、測(cè)量及安全等措施?？蛇x字段增加了IP數(shù)據(jù)報(bào)的功能，但這同時(shí)也使得IP數(shù)據(jù)報(bào)的首部長(zhǎng)度成為可變的。這就增加了每一個(gè)路由器處理IP數(shù)據(jù)報(bào)的開(kāi)銷。實(shí)際上可選字段很少被使用

（3）填充

填充： 用來(lái)確保首部長(zhǎng)度應(yīng)該是4B的整數(shù)倍，使用全0進(jìn)行填充

（4）區(qū)分服務(wù)

區(qū)分服務(wù)： 占8個(gè)比特，用來(lái)獲得更好的服務(wù)。該字段在舊標(biāo)準(zhǔn)中叫作服務(wù)類型，但實(shí)際上一直沒(méi)有被使用過(guò)。1998年，因特網(wǎng)工程任務(wù)組IETF把這個(gè)字段改名為區(qū)分服務(wù)。利用該字段的不同數(shù)值可提供不同等級(jí)的服務(wù)質(zhì)量。只有在使用區(qū)分服務(wù)時(shí)，該字段才起作用。一般情況下都不使用該字段

（5）總長(zhǎng)度

A：概述

總長(zhǎng)度： 占16個(gè)比特，用來(lái)表示IP數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度（首部+數(shù)據(jù)載荷）

• 最大取值為十進(jìn)制的65535，以字節(jié)為單位。在實(shí)際應(yīng)用中，很少會(huì)傳輸這么長(zhǎng)的IP數(shù)據(jù)報(bào)文

B：首部長(zhǎng)度和總長(zhǎng)度字段區(qū)別

下圖可說(shuō)明首部長(zhǎng)度字段和總長(zhǎng)度字段的區(qū)別

• 首部長(zhǎng)度：$(0101{)}_2\times 4=5\times 4=20B$
• 總長(zhǎng)度：$(0000001111111100{)}_2=1020B$
• 數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度：$1020?20=1000B$

（6）標(biāo)識(shí)、標(biāo)志和片偏移（用于IP數(shù)據(jù)報(bào)分片）

A：IP數(shù)據(jù)報(bào)分片

IP數(shù)據(jù)報(bào)分片：如下圖，網(wǎng)際層封裝出的IP數(shù)據(jù)報(bào)將會(huì)在數(shù)據(jù)鏈路層封裝成幀。每一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都規(guī)定了幀的數(shù)據(jù)載荷的最大長(zhǎng)度，稱之為最大傳輸單元MTU（例如以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定MTU值為1500B）。如果某個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)總長(zhǎng)度超過(guò)MTU時(shí)，將無(wú)法封裝成幀，需要將原IP數(shù)據(jù)報(bào)分片為很小的IP數(shù)據(jù)報(bào)，再將各分片IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀。而這里的標(biāo)識(shí)、標(biāo)志和片偏移三個(gè)字段共同用于IP數(shù)據(jù)報(bào)分片

B：標(biāo)識(shí)、標(biāo)志和片偏移

標(biāo)識(shí)： 占16個(gè)比特，屬于同一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的各分片數(shù)據(jù)報(bào)應(yīng)具有相同的標(biāo)識(shí)。IP軟件維持一個(gè)計(jì)數(shù)器，每產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)，計(jì)數(shù)器值+1，并將此值賦給標(biāo)識(shí)字段

標(biāo)志： 占3個(gè)比特，各比特含義如下

• DF位：
  • 1：不允許分片
  • 0：允許分片
• MF位：
  • 1：后面還有分片
  • 0：這是最后一個(gè)分片
• 保留位：必須設(shè)置為0

片偏移： 占13個(gè)比特，用于指出分片數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)載荷部分偏移其在原數(shù)據(jù)報(bào)的位置有多少個(gè)單位，片偏移以8個(gè)字節(jié)為單位

C：IP數(shù)據(jù)報(bào)分片例子

如下圖有一IP數(shù)據(jù)報(bào)，其首部為20B，數(shù)據(jù)載荷部分3800B，所以總長(zhǎng)度為3820B。假設(shè)使用以太網(wǎng)傳送該IP數(shù)據(jù)報(bào)，其MTU為1500B，顯然無(wú)法封裝3820B長(zhǎng)的IP數(shù)據(jù)報(bào)，因此需要把該IP數(shù)據(jù)報(bào)分片為幾個(gè)更小的IP數(shù)據(jù)報(bào)，每個(gè)長(zhǎng)度不能大于1500B，然后再將每個(gè)分片IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成一個(gè)以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸。為了更好地描述后續(xù)分片工作，這里我們將原IP數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)載荷部分的每一個(gè)字節(jié)都編上號(hào)，范圍為0-3799

我們可將原IP數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)載荷部分分為3個(gè)更小的分片

• 第一個(gè)分片：共1400字節(jié)，范圍0-1399
• 第二個(gè)分片：共1400字節(jié)，范圍1400-2799
• 第一個(gè)分片：共1000字節(jié)，范圍2800-3799

分片結(jié)束后，給每個(gè)分片重新添加一個(gè)首部使之成為IP數(shù)據(jù)報(bào)，每個(gè)分片添加的首部自然不能完全相同，根據(jù)上面對(duì)標(biāo)識(shí)、標(biāo)志和片偏移字段的理解，可以填寫下表

	總長(zhǎng)度	標(biāo)識(shí)	MF	DF	片偏移
原始數(shù)據(jù)報(bào)	3800+20	12345	0	0	0
分片1的數(shù)據(jù)報(bào)	1400+20	12345	1	0	0/8
分片2的數(shù)據(jù)報(bào)	1400+20	12345	1	0	1400/8
分片3的數(shù)據(jù)報(bào)	1000+20	12345	0	0	2800/00

假設(shè)分片2的IP數(shù)據(jù)報(bào)經(jīng)過(guò)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)還需要再進(jìn)行分片，其中一個(gè)分片長(zhǎng)度為800B，另一個(gè)分片長(zhǎng)度為600B，分片結(jié)束后給每個(gè)分片添加一個(gè)首部使之稱為IP數(shù)據(jù)報(bào)，填寫下表如下

總長(zhǎng)度	標(biāo)識(shí)	MF	DF	片偏移
原始數(shù)據(jù)報(bào)	3800+20	12345	0	0
分片2的分片1數(shù)據(jù)報(bào)	800+20	12345	1	0
分片2的分片2數(shù)據(jù)報(bào)	600+20	12345	1	0

（7）生存時(shí)間

A：概述

生存時(shí)間：

• 占8比特，最初以秒為單位，最大生存周期為255秒；路由器轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，將IP數(shù)據(jù)報(bào)首部中的該字段的值減去IP數(shù)據(jù)報(bào)在本路由器上所耗費(fèi)的時(shí)間，若不為0就轉(zhuǎn)發(fā)，否則就丟棄
• 現(xiàn)在以“跳數(shù)”為單位，路由器轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，將IP數(shù)據(jù)報(bào)首部中的該字段的值減1，若不為0就轉(zhuǎn)發(fā)，否則就丟棄

B：作用

生存時(shí)間字段的最大作用就是防止IP數(shù)據(jù)報(bào)在網(wǎng)絡(luò)中永久兜圈

如下圖，假設(shè)路由器R2路由表目的網(wǎng)絡(luò)為N2的條目其下一跳被錯(cuò)誤的配置成了R1（本來(lái)是R3），這會(huì)導(dǎo)致去往網(wǎng)絡(luò)N2的IP數(shù)據(jù)報(bào)錯(cuò)誤地轉(zhuǎn)發(fā)給路由器R1

假設(shè)某個(gè)IP數(shù)據(jù)報(bào)從網(wǎng)絡(luò)N1發(fā)往N2，該IP數(shù)據(jù)報(bào)達(dá)到R1后，R1進(jìn)行查表轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)現(xiàn)了匹配的路由條目，其下一條指示轉(zhuǎn)發(fā)給R2，于是R1將該IP數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)給了R2。R2收到該IP數(shù)據(jù)報(bào)后，進(jìn)行查表轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)現(xiàn)了匹配的路由條目，其下一條指示轉(zhuǎn)發(fā)給R1，于是R2將該IP數(shù)據(jù)報(bào)又轉(zhuǎn)發(fā)回了R1。很顯然，這形成了路由環(huán)路，如果沒(méi)有生存時(shí)間字段，IP數(shù)據(jù)報(bào)將在此路由環(huán)路中永久兜圈

（8）協(xié)議

協(xié)議： 占8比特，指明IPv4數(shù)據(jù)報(bào)的數(shù)據(jù)部分是何種協(xié)議數(shù)據(jù)單元，常用的一些協(xié)議和相應(yīng)協(xié)議字段的值如下表

協(xié)議名稱	ICMP	IGMP	TCP	UDP	IPv6	OSPF
協(xié)議字段值	1	2	6	17	41	89

（9）首部校驗(yàn)和

首部校驗(yàn)和： 占16個(gè)比特，用來(lái)檢測(cè)首部在傳輸過(guò)程中是否出現(xiàn)差錯(cuò)。IP數(shù)據(jù)報(bào)每經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器，路由器都要重新計(jì)算首部檢驗(yàn)和，因?yàn)槟承┳侄?生存時(shí)間、標(biāo)志、片偏移等)的取值可能發(fā)生變化。由于IP層本身并不提供可靠傳輸?shù)姆?wù)，并且計(jì)算首部校驗(yàn)和是一項(xiàng)耗時(shí)的操作，因此在IPv6中，路由器不再計(jì)算首部校驗(yàn)和，從而更快轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)

（10）源IP地址和目的IP地址

源IP地址和目的IP地址： 各占32比特，用來(lái)填寫發(fā)送該IP數(shù)據(jù)報(bào)的源主機(jī)的IP地址和接收該IP數(shù)據(jù)報(bào)的目的主機(jī)的IP地址

三：總結(jié)

字段名	長(zhǎng)度	作用
版本	4個(gè)比特	IP協(xié)議版本
首部長(zhǎng)度	4個(gè)比特	IP數(shù)據(jù)報(bào)首部長(zhǎng)度
總長(zhǎng)度	16個(gè)比特	IP數(shù)據(jù)報(bào)總長(zhǎng)度
標(biāo)識(shí)	16個(gè)比特	同一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)各分片相同
標(biāo)志	3個(gè)比特	DF；MF；保留位
生存時(shí)間	8個(gè)比特	防止永久兜圈
協(xié)議	8個(gè)比特	何種協(xié)議數(shù)據(jù)單元
首部校驗(yàn)和	16個(gè)比特	檢測(cè)差錯(cuò)
源IP地址	32個(gè)比特	源主機(jī)IP地址
目的IP地址	32個(gè)比特	目的主機(jī)IP地址
可選字段	0-40字節(jié)	支持排錯(cuò)、測(cè)量及安全等措施