IP数据报格式及分片与重组

IP数据报

在 TCP/IP 协议中，使用 IP 协议传输数据的包被称为 IP 数据报（也叫数据包或数据报文），每个数据包都包含 IP 协议规定的内容。IP协议提供不可靠无连接的数据报传输服务，位于TCP/IP四层网络模型中的网络层，负责数据的封装拆封、寻址和路由。

IP 数据报是一个与硬件无关的虚拟包，由首部和数据两部分组成.首部的前一部分是固定长度,共 20 字节,是所有IP数据报必须具有的.在首部的固定部分的后面是一些可选字段,其长度是可变的.

IP数据报首部的固定部分

版本: 占4位,指IP协议的版本.通信双方使用的IP协议版本必须一致.日前广泛使用的 IP协议版本号为 4 (即 IPv4).IPv6 目前还处于起步阶段.

首部长度:占 4 位,可表示的最大十进制数值是15.请注意,这个字段所表示数的单位是32位字 (1个32位字长是4 字节),因此,当 IP 的首部长度为 1111 时 (即十进制的 15),首部长度就达到 60（15*4）字节.当 IP 分组的首部长度不是4字节的整数倍时,必须利用最后的填充字段加以填充.因此数据部分永远在 4字节的整数倍开始,这样在实现 IP协议时较为方便.首部长度限制为 60字节的缺点是有时可能不够用.这样做的目的是希望用户尽量减少开销.最常用的首部长度就是 20 字节 (即首部长度为 0101),这时不使用任何可选字段和填充.
接收端通过此域可以计算出报头（首部）在何处结束及从何处开始读数据部分。

服务:占 8 位,用于规定本数据报的处理方式。服务类型字段的8位分成了5个子域：

(1)—优先权（0-7）数越大，表示该数据报优先权越高。网络中路由器可以使用优先权进行拥塞控制，如当网络发生拥塞时可以根据数据报的优先权来决定数据报的取舍。

(2)—短延迟位D(Delay)：该位置1时，数据报请求以短延迟信道传输，0表示正常延时。

(3)—高吞吐量位T(Throughput)：该位置1时，数据报请求以高吞吐量信道传输，0表示普通。

(4)—高可靠位R(Reliability)：该位置1时，数据报请求以高可靠性信道传输，0表示普通。

(5)—保留位。

这个字段在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直没有被使用过.1998年IETF把这个字段改名为区分服务 DS(Differentiated Services).只有在使用区分服务时,这个字段才起作用.

总长度:总长度指首都及数据部分之和的长度,单位为字节.因为总长度字段为 16位,所以数据报的最大长度为 216-1=65 535字节.在IP层下面的每一种数据链路层都有自己的帧格式,其中包括帧格式中的数据字段的最大长度,即最大传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit).当一个数据报封装成链路层的帧时,此数据报的总长度 (即首部加上数据部分)一定不能超过下面的数据链路层的MTU值,否则要分片.

标识 (Identification):占 16位.IP软件在存储器中维持一个计数器,每产生一个数据报,计数器就加 1,并将此值赋给标识字段.但这个"标识"并不是序号,因为 IP是无连接的服务,数据报不存在按序接收的问题.当数据报由于长度超过网络的 MTU 而必须分片时,这个标识字段的值就被复制到所有的数据报的标识字段中.相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报.

标志 (Flag):占3 位,但目前只有2位有意义. 标志字段中的最低位记为 MF(More Fragment).MF=1即表示后面"还有分片"的数据报.MF=0表示这已是若干数据报片中的最后一个.标志字段中间的一位记为DF(Don’t Fragment),意思是"不能分片",只有当 DF=0时才允许分片.

片偏移:占 13位.较长的分组在分片后,某片在原分组中的相对位置.也就是说,相对用户数据字段的起点,该片从何处开始.片偏移以 8个字节为偏移单位,这就是说,每个分片的长度一定是 8字节(64位)的整数倍.

生存时间（TTL，time to live）:占 8位，它指定了数据报可以在网络中传输的最长时间。实际应用中把生存时间字段设置成了数据报可以经过的最大路由器数。TTL的初始值由源主机设置（通常为32、64、128或256），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减1。当该字段为0时，数据报就丢弃，并发送ICMP报文通知源主机，因此可以防止进入一个循环回路时，数据报无休止地传输下去。

协议（上层协议）:占 8 位.协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种上层协议,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（TCP或UDP等协议）。

常用网际协议编号：

首部检验和:占 16位.这个字段只检验数据报的首部,但不包括数据部分.这是因为数据报每经过一个路由器,都要重新计算一下首都检验和 (一些字段,如生存时间,标志,片偏移等都可能发生变化),不检验数据部分可减少计算的工作量。检验和可以保证IP报头区在传输时的正确性和完整性。

源地址:占32位，表示发送端IP地址.

目的地址:占 32位，表述目的端IP地址.

IP数据报首部的可变部分

IP首部的可变部分就是一个可选字段.选项字段用来支持排错,测量以及安全等措施,内容很丰富.此字段的长度可变,从1个字节到40个字节不等,取决于所选择的项目.某些选项项目只需要1个字节,它只包括1个字节的选项代码.但还有些选项需要多个字节,这些选项一个个拼接起来,中间不需要有分隔符,最后用全0的填充字段补齐成为4字节的整数倍.

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.新的IP版本IPv6就将IP数据报的首部长度做成固定的.

目前,这些任选项定义如下:

1. 安全和处理限制(用于军事领域);
2. 记录路径(让每个路由器都记下它的IP地址);
3. 时间戳(Time Stamp)(让每个路由器都记下IP数据报经过每一个路由器的IP地址和当地时间);
4. 宽松的源站路由(Loose Source Route)(为数据报指定一系列必须经过的IP地址);
5. 严格的源站路由(Strict Source Route)(与宽松的源站路由类似,但是要求只能经过指定的这些地址,不能经过其他的地址).

这些选项很少被使用,并非所有主机和路由器都支持这些选项.

IP数据报的数据部分

IP数据报的数据部分就是IP层上层协议的报文段，比如TCP报文段，TCP报文段的详细组成可以看我的TCP的三次握手与四次挥手详解，IP数据报其实就是在上层报文段的基础上加上了IP首部。

IP数据报分片和重组

最大传输单元（MTU）：
IP数据报在互联网上传输时，可能要经过多个物理网络才能从源端传输到目的端。不同的网络由于链路层和介质的物理特性不同，因此在进行数据传输时，对数据帧的最大长度都有一个限制，这个限制值即最大传输单元MTU（Maximum Transmission Unit）.

同一个网络上的两台主机之间通信时，该网络的MTU值是确定的，不存在分片问题。分片问题一般只存在于具有不同MTU值的互联网中。由于现在互联网主要使用路由器进行网络连接，因此分片工作通常由路由器负责。

当两台主机之间的通信要通过多个具有不同MTU值的网络时，MTU的瓶颈是通信路径上最小的MTU值，它被称为路径MTU。由于路由选择不一定是对称的（从A到B的路由可能与从B到A的路由不同），因此，路径MTU在两个方向上不一定是一致的，下表是几种常用网络的MTU值：

分片：
当一个IP数据报封装成链路层的帧时,此数据报的总长度 (即首部加上数据部分)一定不能超过下面的数据链路层的MTU值,否则要分片，把一个IP数据报为了适合网络传输而分成多个数据报的过程称为分片，被分片后的各个IP数据报可能经过不同的路径到达目标主机。

一个IP数据报在传输过程中可能被分片，也可能不被分片。如果被分片，分片后的IP数据报和原来没有分片的IP数据报结构是相同的，即也是由IP头部和IP数据区两个部分组成：

分片后的IP数据报，数据区是原IP数据报数据区的一个连续部分，头部是原IP数据报头部的复制，但与原来未分片的IP数据报头部有两点主要不同：标志和片偏移。

重组：
当分了片的IP数据报到达最终目标主机时，目标主机对各分片进行组装，恢复成源主机发送时的IP数据报，这个过程叫做IP数据报的重组。

在IP数据报头部中，标识用16位二进制数表示，它唯一地标识主机发送的每一份数据报。在一个数据报被分片时，每个分片仅把数据报“标识”字段的值原样复制一份，所以一个数据报的所有分片具有相同的标识。

目标端主机重组数据报的原理是：

(1)根据“标识”字段可以确定收到的分片属于原来哪个IP数据报；

(2)根据“标志”字段的“片未完MF”子字段可以确定分片是不是最后一个分片；

(3)根据“偏移量”字段可以确定分片在原数据报中的位置。