IP报文格式详解

IP（Internet Protocol，互联网协议）是互联网的核心协议之一。IP协议的主要功能是在互联网中传递分组。在IP协议中，每个数据包都称为IP数据报（IP Datagram）。本文将从多个角度解析IP数据报的格式。

1. IP数据报格式

IP数据报包含两个部分：头部和数据。IP数据报头部的长度是20字节，数据部分可以根据需要，变化长度。IP数据报的格式如下：


由上图可以看出，IP数据报头部包括以下字段：

- Version（4 bits）：表示IP协议的版本，IPv4为4，IPv6为6。

- IHL（4 bits）：表示IP头部的长度，以4字节为单位。如果IP头部中没有选项和填充，则IHL的值为5。

- Type of Service（8 bits）：表示该数据包的优先级。

- Total Length（16 bits）：表示IP数据报的总长度，以字节为单位。

- Identification（16 bits）：用于唯一标识IP数据报的片段。在分片时，每个片段的Identification号码都相同。

- Flags（3 bits）：包含3个标志：DF（Don't Fragment）、MF（More Fragments）和Reserved（保留位）。DF标志表示该数据包不能被分片，MF标志表示该数据包是分片数据包的一部分，而Reserved保留位是为将来预留的。

- Fragment Offset（13 bits）：仅在分片操作发生时使用。它用于指定数据包片段在原始数据包的偏移量，以8字节为单位。

- Time to Live（8 bits）：TTL表示IP数据报在互联网上的存活时间，单位为路由器跳数。每经过一个路由器，TTL减少1。当TTL变为0时，数据报就会被丢弃。

- Protocol（8 bits）：表示数据包的上层协议类型，例如TCP、UDP、ICMP等。

- Header Checksum（16 bits）：是校验和，用于检验IP头部的正确性。

- Source IP Address（32 bits）：表示源IP地址。

- Destination IP Address（32 bits）：表示目的IP地址。

2. IP数据报的分片

当IP数据报的长度超出了网络传送的最大数据量时，便需要进行分片。IP数据包的最大传输单元（Maximum Transmission Unit，MTU），根据介质不同而不同。以太网的MTU最大为1500字节。IP数据报的分片由发送端负责，接收端根据数据报中的标志重新组装数据。数据报的分片格式如下：


由上图可以看出，分片除了头部格式中多了一个Fragment Offset字段之外，其他字段都和IP数据报头部相同。

3. IP数据报的重组

当接收端收到一个分片后，会根据Identification和Fragment Offset字段将多个分片重组成完整的数据报。由于IP数据报可能被分片，因此接收方必须将IP数据报的每个分片都装配到一个完整的数据报中。并且由于IP数据报的分片可能会在传输过程中出现丢失、重复到达等情况，因此接收方还需要对IP分片进行重组。IP重组的过程如下：


通过上图可以看出，接收方需要对分片头部中的Identification和Fragment Offset进行匹配和重组，以获得完整的数据报。

4. IP地址

IP地址是32位二进制数，IPv4用点十进制数表示，IPv6用冒号十六进制数表示。IP地址由网络号和主机号两部分组成，其中网络号由网络管理员分配，主机号由网络管理员或者自动配置产生。IP地址分为公有地址（Public Address）和私有地址（Private Address），私有地址用于局域网和组织内部网络，公有地址用于互联网上的通信。私有地址范围如下：

- A类地址：10.0.0.0 ~ 10.255.255.255

- B类地址：172.16.0.0 ~ 172.31.255.255

- C类地址：192.168.0.0 ~ 192.168.255.255

5. IP数据报的转发

在互联网中，当一个数据包从源主机发送到目的主机时，数据包可能要经过多个路由器。路由器接收到数据包后，会查看目的主机的IP地址，并使用路由选择算法将数据包发送到适当的下一个路由器，直到到达目的主机。路由器在转发数据包时，需要仔细检查IP数据包头部的相关字段，并根据它们做出决策，例如是否需要进行分片，是否禁止分片等等。路由器转发数据包的过程可大致分为下图所示的几个步骤：


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