IP协议（网络层协议）

1 IP协议功能

• 寻址和路由
• 传递服务
  
  • 不可靠，可靠性由上层协议提供
  • 无连接
• 数据报分段和重组

2 IP协议

IP数据报格式

其中固定部分为20byte，可变部分最大为40byte，因此IP数据报的首部大小为20~60byte。

版本

• 占4bit，指IP协议的版本。目前的IP协议版本号为4，即IPv4

首部长度

• 占4bit，可表示的最大数值是15个单位（一个单位为4字节），因此IP首部长度的最大值是60字节

服务类型

• 指示期望获得哪种类型的服务
• 1998 年这个字段改名为区分服务
• 只有在网络提供区分服务(DiffServ)时使用
• 一般情况下不使用，通常IP分组的该字段(第2字节)的值为00H
• 占8bit，用来获得更好的服务，这个字段以前一致没有被人使用。其中D表示延时，T表示吞吐量，R表示可靠性，C表示代价。最后一位没有使用，但是必须为０，否则非法
• 现在常用的为差分服务，最后两位未使用。如果前6位为XXXXX0的形式表示该IP数据报由因特网指派，为XXXX11表示由本地指派，为XXXX01表示临时或实验性的IP数据报

总长度

• 占16bit，指首部和数据之和的长度，单位为字节。因此数据报的最大长度为65535字节，总长度必须不超过最大传送单元MTU
• 最小的IP分组首部： 20B
• IP分组可以封装的最大数据： 65535-20=65515B

标识

• identification占16bit，它是一个计数器，用来产生数据报的标识止
• 只有当同一个数据段被分成不同的IP数据报，其标识才相同

标志

• 占3bit，目前只有后两个比特有意义
• 标志字段的最低位是MF（More Fragment），MF=1表示后面还有分片，MF=0表示最后一个分片
• 标志字段中间的一位是DF（Don’t Fragment），只有当DF=0时才允许分片
• 最高位保留

片偏移

• 13bit，片偏移指出较长的分组分片后某片在原分组中的相对位置，偏移以8个字节为偏移单位

生存时间

• 8bit，记为TTL（Time To Live），IP分组在网络中可以通过的路由器数（或跳步数）。这是为了限制数据报在网络中的生存时间，其单位最初是秒，但为了方便，现在都用“跳数”作为TTL的单位。数据报每经过一个路由器，其TTL值就减1
• 如果TTL=0，路由器则丢弃该IP分组

协议

• 协议（8bit）字段指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据报部分上交给哪个处理过程
• 指示IP分组封装的是哪个协议的数据包
• 实现复用/分解
• E.g. 6为TCP，表示封装的为TCP段； 17为UDP， 表示封装的是UDP数据报

首部校验和

• 首部校验和（16bit）字段只校验数据报的首部，不包括数据部分。这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法
• 实现对IP分组首部的差错检测
• 计算校验和时，该字段置全0
• 采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段
• 逐跳计算、逐跳校验

源地址、目的地址

• 源地址和目的地址都各占4个字节
• 分别标识发送分组的源主机/路由器(网络接口)和接收分组的目的主机/路由器（网络接口）的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选项字段，字段占长度可变，范围在1~40B之间：携带安全、源选路径、时间戳和路由记录等内容，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数据报的首部长度称为可变的。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使用

填充字段

• 填充字段占长度可变，范围在0~3B之间：目的是补齐整个首部，符合32位对齐，即保证首部长度是4字节的倍数

3 IP分片

3.1 最大传输单元(MTU)

• 网络链路存在MTU (最大传输单元)—链路层数据帧可封装数据的上限
  
  • 不同链路的MTU不同

3.2 IP分片与重组

• 大IP分组向较小MTU链路转发时， 可以被“分片” (fragmented)

  • 1个IP分组分为多片IP分组
  • IP分片到达目的主机后进行“重组”(reassembled)

• IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序

  • 总长度、标识、标志位和片偏移

3.3 分片相关的字段

• 标识字段占16位：标识一个IP分组

  • IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识

• 标志位字段占3位：

  • DF (Don’t Fragment)
  • DF =1：禁止分片

  • DF =0：允许分片

  • MF (More Fragment)

  • MF =1：非最后一片
  • MF =0：最后一片(或未分片)

• 片偏移字段占13位：一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量
  
  • 片偏移字段以8字节为单位

3.4 IP分片过程

• 假设原IP分组总长度为L，待转发链路的MTU为M
• 若L>M，且DF=0，则可以/需要分片
• 分片时每个分片的标识复制原IP分组的标识
• 通常分片时，除最后一个分片，其他分片均分为MTU允许的最大分片

• 一个最大分片可封装的数据应该是8的倍数， 因此， 一个最大分片可封装的数据为：

• 需要的总片数为：

• 每片的片偏移字段取值为：

• 每片的总长度字段为：

• 每片的MF标志位为：

举例：