计算机网络：网络层 —— IPv4 数据报的首部格式

news2024/11/7 9:34:10

文章目录

- - IPv4数据报的首部格式
  - - IPv4数据报分片
    - 生存时间 TTL字段
    - 协议字段
    - 首部检验和字段

IPv4数据报的首部格式

IPv4 数据报的首部格式及其内容是实现 IPv4 协议各种功能的基础。

在 TCP/IP 标准中，各种数据格式常常以32比特(即4字节)为单位来描述

![[IPv4数据报的首部格式.png]]

固定部分：每个 IPv4 数据报都必须要包含的部分
某些 IPv4 数据报的首部，除了包含 20 字节的固定部分，还包含一些可选的字段来增加 IPv4 数据报的功能
版本：长度为 4 个比特，用来表示 IP 协议的版本，通信双方使用的IP协议的版本必须一致。目前广泛使用的IP协议的版本号为4(即IPv4)
首部长度：长度为4个比特，该字段的取值以4字节为单位，用来表示IPv4数据报的首部长度（总是4的整数倍）。
- 最小取值为二进制的 0101，即十进制的5，再乘以4字节单位，表示IPv4数据报首部只有20字节固定部分。
- 最大取值为二进制的 1111，即十进制的15，再乘以4字节单位，表示IPv4数据报首部包含20字节固定部分和最大40字节可变部分。
可选字段：长度从1字节到40字节不等，用来支持排错测量以及安全措施等功能。虽然可选字段增加了 IPv4 数据报的功能，但这同时也使得 IPv4 数据报的首部长度成为可变的，这就增加了因特网中每一个路由器处理 IPv4 数据报的开销。实际上，可选字段很少被使用。
填充：用来确保 IPv4 数据报的首部长度是4字节的整数倍，使用全0进行填充。当首部长度（20字节固定部分+可变部分）的长度不是 4字节整数倍时，填充相应数量的全0字节，以确保 IPv4 数据报的首部长度是 4字节的整数倍。
区分服务：长度为 8 个比特，用来获得更好的服务该字段在旧标准中叫作服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998年，因特网工程任务组IETF把这个字段改名为区分服务。利用该字段的不同取值可提供不同等级的服务质量。只有在使用区分服务时该字段才起作用，一般情况下都不使用该字段。
总长度：长度为16个比特，该字段的取值以字节为单位，用来表示IPv4数据报的长度（首部长度+数据载荷长度）。最大取值为二进制的 16 个比特1，即十进制的65535（很少传输这么长的IPv4数据报)
源IP地址：长度为32比特，用来填写发送 IPv4 数据报的源主机的 IPv4 地址。
目的IP地址：长度为32比特，用来填写接收 IPv4 数据报的目的主机的 IPv4 地址。

IPv4数据报分片

IPv4 数据报中的标识、标志、片偏移部分，共同用于IPv4数据报分片

![[IPv4数据报分片.png]]

当 IPv4 数据报长度超过 MTU（最大传输单元，Maximum Transmission Unit）时，无法封装成帧，需要将原 IPv4 数据报分片为若干个更小的IPv4数据报，再将分片后的IPv4数据报封装成帧。

标识：长度为 16 个比特，属于同一个IPv4数据报的各分片数据报应该具有相同的标识。IP 软件会维持一个计数器，每产生一个 IPv4 数据报，计数器值就加1，并将此值赋给标识字段。
标志：
- 最低位(More Fragment，MF)
  - MF = 1，表示本分片后面还有分片
  - MF = 0，表示本分片后面没有分片
- 中间位(Don’t Fragment，DF)
  - DF = 1，表示不允许分片
  - DF = 0，表示允许分片
- 最高位为保留位，必须设置为0
片偏移：长度为13个比特，该字段的取值以8字节为单位，用来指出分片IPv4数据报的数据载荷偏移其在原IPv4数据报的位置有多远。

某个 IPv4 数据报总长度为 3820 字节，采用 20 字节固定首部，根据数据链路层要求，需要将该 IPv4 数据报分片为长度不超过 1420 字节的数据报片：

![[IPv4数据报分片例.png]]

确定原始数据报的大小：原始 IPv4 数据报的总长度是 3820 字节。其中包括 20 字节的 IP 首部。
计算有效载荷的大小：有效载荷的大小 = 总长度 - IP首部长度 = 3820 - 20 = 3800 字节。
确定每个分片的最大大小：根据题目要求，每个分片的大小不能超过 1420 字节。每个分片包含 20 字节的 IP 首部和最多 1400 字节的有效载荷。
计算所需的分片数量：
- 第一分片：从第 0 到第 1399 字节（共1400字节）
- 第二分片：从第 1400 到第 2799 字节（共1400字节）
- 第三分片：从第 2800 到第 3799 字节（共1000字节）
设置分片信息：
- 分片标识 (Identification)：保持不变，设为 23333。
- MF标志位 (More Fragments)：除最后一个分片外的所有分片都设为1，表示还有更多分片。最后一个分片设为0。
- DF标志位 (Don’t Fragment)：所有分片都设为0，因为已经进行了分片操作。
- 片偏移 (Fragment Offset)：以8字节为单位，第一个分片为0，第二个分片为 $\frac{1400}8 = 175$ 第三个分片为 $\frac{2800}8 = 350$ 。
总结分片信息：

分片编号	总长度（字节）	标识	MF	片偏移
1	20 + 1400	23333	1	0
2	20 + 1400	23333	1	175
3	20 + 1000	23333	0	350

通过以上步骤，我们可以将原始的 3820 字节 IPv4 数据报成功地分成三个符合要求的分片。

生存时间 TTL字段

生存时间（Time To Live，TTL）：长度为 8 个比特，最大取值为二进制的11111111，即十进制的 255。该字段的取值最初以秒为单位。因此，IPv4 数据报的最大生存时间最初为 255 秒。路由器转发 IPv4 数据报时，将其首部中该字段的值减去该数据报在路由器上所耗费的时间，若结果不为 0 就转发，否则就丢弃。

生存时间字段后来改为以“跳数”为单位，路由器收到待转发的IPv4数据报时，将其首部中的该字段的值减1，若结果不为0就转发，否则就丢弃。

生存时间字段可以防止被错误路由的IPv4数据报无限制地在因特网中兜圈。

![[生存时间 TTL字段.png]]