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IP 通俗易懂网络协议( 三 )

网络协议


IP首部由各种不同用途和含义的字段组成 。
因为IP分32位的IPv4和128位的IPv6，所以IP首部需要包括版本号字段用来区分这两种情况 。
因为IP负责分组转发，所以IP首部应该包括目的IP地址，用于路由转发逻辑的处理，另外接收端可能需要找到该分组的来源，所以也应该包含来源IP地址 。
TCP、UDP、ICMP、IGMP都通过IP数据报传输，所以在IP首部，需要包含一个协议字段，用于区分该IP数据报承载的是哪种类型的协议 。
IP不纠错，但是需要检查错误，数据在传输过程中，有可能出错，导致接收到的数据跟发送的不一样，所以接收端需要有方法知道传输过程中，数据是否跟发送端一致，所以头部校验和字段也是必要的 。
因为IP要处理分片和重组，所以IP首部需要包含相关信息，以支持该功能 。
IP分IPv4和IPv6两种，协议格式不同，本文讲述以IPv4为主，先给一个IPv4的数据报图，不带选项的IP数据报头部为20字节 。

IP 通俗易懂网络协议

文章插图
 
版本，IP协议的第一个字段都是版本字段，这也是IPv4和IPv6唯一相同的字段，IP数据报的版本字段为4对应IPv4，为6对应IPv6，主机或者路由器可以根据版本字段，分别处理IPv4或IPv6（称为双栈） 。
IHL，Internet头部长度，该字段为4位，表示头部（包括选项）32位字的数量，也就是说，真正的用字节表示的头部长度应该是IHL的值，再乘以4（32位=4字节），因为4位能表示的最大2进制为1111，对应十进制15，所以IPv4的首部最多60（15*4）字节 。
DS，服务类型字段占6bit，显示控制通知（ECN）占2bit，一共8bit，该8bit用来替换了最初版本的服务类型（ToS）字段，原因是ToS其实没怎么被用 。
总长度字段，是IP数据报的总长度，包括首部和数据 。
接下来的32位字（4字节），标识（16bit）+标志（3bit）+分片偏移（13bit）用于分片和重组逻辑 。
TTL，生存期字段用于设置数据报可经过路由器数量的上限 。超此上限的IP数据报将被丢弃 。
协议字段，8bit，提供多路分解功能，满足IP协议可用于携带多种（TCP、UDP、ICMP、IGMP等）协议类型的有效载荷的要求，TCP对应值17，UDP对应值为6 。
头部校验和字段，仅计算IPv4头部，不包括数据，数据（Payload）的校验由传输层协议去保证，校验和的含义很简单明了，在发送端根据IP头部的各位计算出一个数值，接收端根据接收到的IP头部的各位重算一个数值，如果该值等于校验和字段，那就哦了，否则，传输过程中出错了，这个IP数据报不靠谱，扔了吧 。
分片和重组链路层对可传输的帧有一个最大长度的限制，以太网对数据帧的长度上限是1500字节，链路层可传输帧的长度限制叫做最大传输单元（MTU） 。
如果IP层有一个数据报要传，且数据长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要对该数据报分片（fragmentation），把超限的数据报切分为若干片，使得每片都小于MTU限制 。
IP层接收到一份要发送的数据报时，通过选路逻辑来决定向哪个接口（网卡）发送数据，发送数据之前，需要查询该接口获得其MTU，然后将数据报长度与MTU进行比较，如果需要，则进行分片，分片可以发生在原始发送端主机，也可以发生在中间路由器上 。
IP数据报分片后，到达目的地后才进行重新组装，恢复分片前的IP数据报信息，重组由目的主机的IP层完成 。因此，分片和重组对传输层（TCP、UDP）透明，IP首部中的标识、标志、分片偏移字段为分片和重组提供了足够的信息 。
IP数据报首部中的标识（16bit）保存分片的唯一值，这意味着属于同一IP数据报的多个分片拥有相同的标识值 。
标志（3bit）字段中的一位用来表示“是否有更多的片”，除最后一片外，其他组成数据报的分片该位设1，最后一片置0表示没有更多的片，也就是最后一片；片偏移字段用来标识该片在原始IP数据报中的位置 。
当IP数据报切分为多个分片（IP数据报）后，每个分片的总长度字段（16bit）要更改为该片的长度值 。
对链路层而言，不管是完整的IP数据报，还是IP数据报的一个分片，都以IP分组同等视之，分组是IP层把数据报传递给链路层的一个概念，既可能是一个独立IP数据报也可能是一个IP数据报的分片 。每个分组（分片）都有自己的IP首部，并在选路时与其他分组（分片）独立路由，所以这些分片到达目的端可能失序，但IP首部有足够信息重新组装这些片 。
任何一个分片的丢失，都要导致重传整个数据报，这是因为重传机制在传输层，而分片对传输层透明 。


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