ip报文结构

IP（Internet Protocol）是互联网的基本通信协议，它负责数据包的传输，而数据包则组合成一个又一个的数据报文进行传输。IP报文是指数据报文中与IP协议相关部分的结构。本文将从报文结构的组成、各部分的含义以及IP报文与TCP/IP协议栈的关系三个角度进行分析。

1. 报文结构的组成

IP报文结构由报头和数据部分组成，其中报头位于数据部分之前，占用20字节。报头由基本报文头部分和非必需报文头部分构成。基本报文头部分有20字节，具体包含以下字段：

版本号：指示正在使用的IP协议版本，常用的有IPv4和IPv6两个版本；

首部长度：指示IP报文首部的长度，采用4字节为一个单位计算；

区分服务：指示该数据报文在网络中优先级的程度；

数据长度：指示整个数据报文的长度（包括自身和数据部分）；

标识：每个IP分组都需要一个唯一标识符，用于识别数据报的分片；

标志：共3位，其中第1位表示是否分片，第2位为保留，第3位为是否为最后一片；

片偏移：指示数据报分片之间的顺序；

生存期：即Time to Live，用来防止数据包无限循环，在传输过程中每经过一跳减1，当为0时，数据包被丢弃；

传输协议：指示IP层之上的传输层协议，如TCP、UDP等；

首部校验和：校验IP数据包首部是否出错；

源IP地址：指发送方的IP地址；

目的IP地址：指接收方的IP地址。

IP报文头部的非必需部分称为选项（Options），不一定存在，如果存在的话则由0或多个选项构成，用来支持特定的IP处理和控制。选项信息最长可达40字节。选项有许多种类，常用的包括安全选项、时间戳选项、记录路径选项等。

2. 各部分的含义

（1）版本号和首部长度

版本号指明了IP协议的版本，IPv4的值为4，IPv6的值为6。而首部长度则表示IP首部的长度。这个字段的4个比特位可表示的值为：5、6、7、8. 即IP首部的长度最小为5字节（这5个字节存储的是必备的字段信息，如上述基本报文头部分），最大为8字节（含有最多40字节的选项信息）。

（2）区分服务（TOS）

用于指定数据包在传输中的优先级。TOS字段包括了延时、吞吐量、可靠性和费用四个特性。

（3）标识、标志和片偏移

若数据包过大，IP协议便会将其分割成多个数据包来传输，以保证可靠传输。在IP报文最开始的地方就有一个标志位，如果数据包“可以被分割”，则这个位会被置1。例如，传输2 KB的数据包，IP协议可以将其分成两个1 KB的数据包进行传输。IP报文不仅可以进行分割，还可以进行重组，使用“标识、标志和片偏移”三个字段来实现。标识符指明了已经被分割的数据包的唯一标识，标志位有三种取值，第一位表示是否对数据报进行分割，第二位在一些IPv4协议中保留，第三位用于标识是否是数据报的最后一片。而片偏移则表示前面片中的数据量，通过计算前面的片中的字节数得到。偏移量的即为下一片的开始序号。

（4）生存期（TTL）

Time to Live（TTL）字段指定了数据包的最大跳数。在数据包经过一跳路由器时，路由器会将该字段的值减1，直到TTL值为0。当TTL值为0时，该数据包会被路由器丢弃。这样可以防止由于网络异常而导致数据包无限循环的问题。

（5）传输协议

传输协议字段指明了上一层协议的类型，例如TCP、UDP等。该字段为8位的数值。

（6）源IP地址和目的IP地址

源IP地址是指发送端的IP地址，而目的IP地址则是指接收端的IP地址。IPv4地址为32位，IPv6地址为128位。

3. IP报文与TCP/IP协议栈的关系

IP位于TCP/IP协议栈的网络层，是上层传输层协议的基础。IP协议提供了一个有序、不可靠的数据包传输服务，上层协议如TCP和UDP等需要提供其他可靠性的服务，而这些服务都建立在IP层之上。TCP处于IP协议的上层，是一个可靠的传输协议。当TCP需要将数据传输到对端主机时，TCP会利用IP向目标主机发送数据包，数据包中携带目标主机的IP地址，目标主机将首先通过数据包中的IP地址所在的网络地址找到网关路由器，并将数据包发给网关路由器。路由器将数据包根据各自的转发策略，判断以后将数据包发给下一跳，一直到数据包传输至目标主机。UDP与TCP类似，但是其是一种无连接协议，不保证数据包的可靠传输，但是传输速度更快。