第四章 第5节

第五节：

网际协议：因特网中的转发和编址

它主要讲 IP 协议在网络层中的作用。

网络层大概有三个核心组成：

1. IP 协议

IP 是这一节的主角，负责：

数据报格式

编址规则

分组处理规则

分片与重组

数据报转发

也就是说，IP 规定了：数据报长什么样，地址怎么写，路由器怎么处理它。

2. 路由选择协议

比如：

RIP

OSPF

BGP

它们负责：计算路由，生成转发表。

也就是前面讲过的控制平面。

3. ICMP 协议

ICMP 是互联网控制报文协议。

它负责：

差错报告

网络层控制信息

路由器、主机之间的信息反馈

比如 ping 就和 ICMP 有关。

二、IP 在 TCP/IP 协议栈中的位置

从协议栈看：

应用层：

HTTP

FTP

DNS

运输层：

TCP

UDP

网络层：

IP

ICMP

IGMP

ARP 相关内容也和网络层/链路层交界有关

链路层：

Ethernet 等

物理层：

比特传输

封装关系

比如 HTTP 数据发送时，大概是：

所以 IP 数据报里面的数据部分，通常装的是：

TCP 段

UDP 段

ICMP 报文

其他网络层上层协议数据

三、IP 数据报的整体结构

一个 IPv4 数据报由两部分组成：

其中：

首部：网络层控制信息

数据部分：通常是 TCP/UDP 段

大多数 IPv4 数据报没有选项，所以一般首部长度是 20 字节。

也就是：

如果有选项字段，首部会变长。

四、IPv4 数据报首部字段总览

IPv4 首部最少 20 字节，里面有这些字段：

版本号 Version

首部长度 Header Length

服务类型 TOS

数据报总长度 Total Length

标识 Identification

标志 Flags

片偏移 Fragment Offset

TTL

协议 Protocol

首部校验和 Header Checksum

源 IP 地址

目的 IP 地址

选项 Options

填充 Padding

五、版本号 Version

版本号字段占 4 bit。

它说明：这个 IP 数据报使用哪个版本的 IP 协议。

常见值：

4：IPv4

6：IPv6

路由器看到版本号之后，才知道应该按 IPv4 还是 IPv6 的格式解释后面的字段。

六、首部长度 Header Length

IPv4 首部长度字段占 4 bit。

它表示：IP 首部有多长。

但是注意，它不是以字节为单位，而是以：

为单位。

也就是说字段值为 5，表示：

所以普通 IPv4 首部没有选项时：

对应 20 字节。

首部长度为什么需要？

因为 IPv4 首部可能有选项字段。

有选项时，首部长度就不是固定 20B。

所以必须告诉接收方：数据部分从哪里开始。

取值范围

首部长度字段是 4 bit，最大值是 15。

所以 IPv4 首部最大长度是：

最小值是：

七、服务类型 TOS

服务类型字段原来叫 TOS，占 8 bit。

它的作用是：

区分不同类型数据报的服务需求。

比如：

实时语音希望低时延

文件传输希望高吞吐

某些业务希望高可靠性

某些业务希望低丢包率

现在这个字段常和 DSCP、ECN 相关，用于服务质量和拥塞通知。

TOS 用来区分服务类型，帮助网络对不同数据流做不同处理。

八、数据报总长度 Total Length

总长度字段占 16 bit。

它表示：

单位是字节。

因为它是 16 bit，所以 IPv4 数据报理论最大长度是：

也就是 65535 字节。

注意

总长度不是只算数据部分，而是包括首部。

比如：

首部 20B

数据部分 1400B

那么总长度是：

九、标识、标志、片偏移：分片相关字段

这三个字段是 IP 分片的核心：

标识 Identification

标志 Flags

片偏移 Fragment Offset

它们都和 IP 分片有关。

先理解为什么需要分片。

十、为什么需要 IP 分片？

链路层帧能装的数据有上限，这个上限叫：

MTU，Maximum Transmission Unit，最大传输单元。

比如以太网常见 MTU 是：

意思是：

一个以太网帧最多装 1500B 的 IP 数据报。

如果一个 IP 数据报太大，大于下一条链路的 MTU，就不能直接放进链路层帧里。

这时候 IPv4 可以把它分成多个较小的 IP 数据报片。

这就需要IP 分片。

十一、IP 分片的基本规则

假设原始 IP 数据报太大，要分成多个片。

每个分片都是一个新的 IP 数据报。

所以每个分片都有：

自己的 IP 首部

自己的数据部分

但是这些分片属于同一个原始数据报，所以它们的：

标识 Identification 相同。

接收端根据标识、源地址、目的地址等信息把它们重组。

十二、标识 Identification

标识字段占 16 bit。

作用：

标记哪些分片属于同一个原始 IP 数据报。

同一个原始数据报拆出来的所有分片：

比如例子里标识都是：

说明这些片都是同一个原始数据报拆出来的。

十三、标志 Flags

标志字段占 3 bit。

里面最重要的是两个：

1. DF：Don’t Fragment

DF 表示禁止分片。

DF = 1：不能分片

DF = 0：允许分片

如果 DF = 1，但是数据报又超过下一跳 MTU，路由器不能分片，只能丢弃，并通常发送 ICMP 差错报文。

2. MF：More Fragment

MF 表示后面是否还有分片。

MF = 1：后面还有分片

MF = 0：这是最后一个分片

所以判断最后一个分片：

中间分片：

十四、片偏移 Fragment Offset

片偏移字段占 13 bit。

它表示：这个分片的数据部分，在原始数据报数据部分中的位置。

注意两点：

1. 偏移是相对原始数据部分，不包括 IP 首部

比如原始数据报：

片偏移只看那 3800B 数据，不看前面的 20B 首部。

2. 片偏移单位是 8 字节

片偏移不是直接以字节为单位，而是：

为单位。

所以：

十五、为什么分片数据长度通常要是 8 的倍数？

因为片偏移单位是 8B。

所以除了最后一个分片外，前面的每个分片数据长度通常都要是 8 的整数倍。

否则下一个分片的偏移就不是整数。

记住：

除最后一片外，每片数据长度应为 8B 的整数倍。

十六、分片例题

原始 IP 数据报：

总长度：3820B

首部长度：20B

数据部分：3800B

标识：12345

现在下一条链路要求分片后每片总长度不超过：

每个分片都要有 20B IP 首部。

所以每片最多能装的数据是：

1400 正好是 8 的倍数：

原始数据部分是 3800B，所以分成：

分片 1

数据长度：

总长度：

标识：

MF：

因为后面还有分片。

片偏移：

因为它从原始数据部分第 0 字节开始。

分片 2

数据长度：

总长度：

标识：

MF：

因为后面还有分片。

片偏移：

分片 3

数据长度：

总长度：

标识：

MF：

因为这是最后一个分片。

片偏移：

表格总结

分片 ｜ 总长度 ｜ 数据长度 ｜ 标识 ｜ MF ｜ DF ｜ 片偏移 原始数据报 ｜ 3820 ｜ 3800 ｜ 12345 ｜ 0 ｜ 0 ｜ 0 分片 1 ｜ 1420 ｜ 1400 ｜ 12345 ｜ 1 ｜ 0 ｜ 0 分片 2 ｜ 1420 ｜ 1400 ｜ 12345 ｜ 1 ｜ 0 ｜ 175 分片 3 ｜ 1020 ｜ 1000 ｜ 12345 ｜ 0 ｜ 0 ｜ 350

十七、分片题

第一步：算原始数据长度

第二步：算每片最大数据长度

但是要注意：

除最后一片外，每片数据长度必须取不超过该值的最大 8 的倍数。

第三步：切数据

把原始数据部分按最大数据长度切开。

第四步：算每片总长度

一般新 IP 首部仍然是 20B。

第五步：填 MF

不是最后一片：MF = 1

最后一片：MF = 0

第六步：算片偏移

十八、TTL：寿命字段

TTL 全称：Time To Live占 8 bit。

作用：防止数据报在网络中无限循环。

每经过一个路由器，TTL 减 1。

如果 TTL 减到 0，路由器必须丢弃该数据报。

为什么需要 TTL？

如果路由表出错，可能出现环路。

比如：

如果没有 TTL，分组可能一直绕圈，占用网络资源。

TTL 就相当于给数据报设置一个“生命倒计时”。

十九、协议 Protocol 字段

协议字段占 8 bit。

它表示：IP 数据报的数据部分应该交给哪个上层协议。

常见值：

协议 ｜ 字段值 ICMP ｜ 1 IGMP ｜ 2 TCP ｜ 6 UDP ｜ 17 IPv6 ｜ 41 ESP ｜ 50 OSPF ｜ 89

比如：

Protocol = 6：交给 TCP

Protocol = 17：交给 UDP

协议号和端口号的区别

协议号是网络层告诉主机：数据部分交给哪个运输层协议。

端口号是运输层告诉主机：数据交给哪个应用进程。

所以：

二十、首部校验和 Header Checksum

首部校验和占 16 bit。

作用：检测 IP 首部是否发生比特错误。

注意，它只校验 IP 首部，不校验数据部分。

怎么计算？

把 IP 首部按 16 bit 分组，然后做反码求和，最后取反码，放入首部校验和字段。

接收方或路由器收到后，也重新计算。

如果结果不匹配，说明首部出错，一般丢弃该数据报。

二十一、为什么每个路由器都要重新计算 IP 首部校验和？

因为每经过一个路由器，TTL 都会减 1。

TTL 是 IP 首部的一部分。

所以首部内容变了。

既然首部变了，首部校验和也必须变。

因此：

每台路由器处理 IPv4 数据报时，都要更新 TTL，并重新计算首部校验和。

二十二、为什么 TCP/UDP 和 IP 都有校验和？

1. IP 首部校验和只检查 IP 首部

IP 的首部校验和只保护：IP 首部

不保护数据部分。

也就是说，IP 不负责检查 TCP/UDP 数据有没有错。

2. TCP/UDP 校验和检查运输层报文

TCP/UDP 校验和保护：

TCP/UDP 首部 + 数据

所以它检查的是运输层内容。

3. 层次不同

IP 层不知道里面装的一定是 TCP 或 UDP。

它也可能装：

ICMP

OSPF

IGMP

其他协议

所以 IP 只负责网络层自己的首部。

运输层协议自己负责自己的数据完整性。

IP 校验和管 IP 首部，TCP/UDP 校验和管运输层报文，不是完全重复。

二十三、源地址和目的地址

IPv4 首部中有两个 32 bit 地址：

源 IP 地址

目的 IP 地址

路由器转发主要看：目的 IP 地址。

源 IP 地址一般用于让对方知道“谁发来的”，以及回包时使用。

二十四、选项 Options 和填充 Padding

IPv4 首部可以有选项字段。

选项字段长度可变。

因为 IP 首部长度必须是 4B 的整数倍，所以如果选项长度不够对齐，需要用填充字段补齐。

但是实际中选项很少用

因为：

会让首部变长

会让路由器处理更慢

不利于高速转发

所以大多数 IPv4 数据报没有选项，首部就是 20B。

二十五、IPv6 和分片的区别

IPv6 不允许路由器对分组分片。

这点很重要。

IPv4 中，路由器可以分片。

IPv6 中，中间路由器不做分片。

如果包太大，一般通过路径 MTU 发现，让源主机自己调整发送大小。

所以可以记：

协议 ｜ 路由器是否分片 IPv4 ｜ 可以分片 IPv6 ｜ 路由器不分片

运输层把 TCP/UDP 段交给网络层。

网络层加上 IPv4 首部，形成 IP 数据报。

IP 首部里面包含：

版本号：说明 IPv4/IPv6

首部长度：说明数据从哪里开始

服务类型：区分服务需求

总长度：说明整个 IP 数据报多长

标识、标志、片偏移：用于分片与重组

TTL：防止无限循环

协议号：告诉接收方交给 TCP/UDP/ICMP

首部校验和：检查 IP 首部错误

源地址、目的地址：用于寻址和转发

选项和填充：可选字段

路由器收到 IP 数据报后：

检查首部

TTL 减 1

重新计算首部校验和

根据目的 IP 查转发表

如果下一跳链路 MTU 不够，且允许分片，就进行 IPv4 分片

转发到下一跳

最后目的主机收到后，根据 Protocol 字段交给 TCP、UDP 或 ICMP。

题型

1. IPv4 首部最小长度

因为首部长度字段为 5，单位是 4B。

2. IPv4 数据报最大长度

因为总长度字段是 16 bit。

3. TTL 的作用

防止 IP 数据报由于路由环路在网络中无限循环。

每过一个路由器减 1，减到 0 丢弃。

4. Protocol 字段的作用

指明 IP 数据报的数据部分应交给哪个上层协议。

TCP 是 6，UDP 是 17，ICMP 是 1。

5. 分片三个字段

标识：同一原始数据报的分片标识相同

MF：后面是否还有分片

片偏移：该片数据在原始数据中的位置，单位 8B

6. 分片时总长度怎么算？

7. 片偏移怎么算？

8. 为什么除最后一片外数据长度要是 8 的倍数？

因为片偏移字段单位是 8B。

9. 为什么路由器要重新算校验和？

因为 TTL 每经过一个路由器都会变化，而 TTL 在 IP 首部中。

10. 为什么 IP 和 TCP/UDP 都有校验？

IP 只校验 IP 首部。

TCP/UDP 校验运输层报文。