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

其中固定字段占用20个字节，并规定可变字段的最大长度限定为40个字节。由此可知，在IP数据报中首部总长度范围控制在20至60个字节之间。

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

在使用4bit位时（即占用四个二进制位），每个数据单元能够表示的最大值为15个字节（其中每个单元对应于四个连续的字节）。因此，在计算IP首部长度时，其最大允许值应设定为60个字节

服务类型

• 请指示希望获取哪类服务类型
• 1998年该字段被命名为QoS服务
• 仅在支持区分服务（DiffServ）的网络环境中应用
• 一般情况下不使用，在常规情况下该字段（第二字节）的值通常是00H
• 占8bit用于提升服务质量，在此之前该字段一直未被使用。其中D代表延迟时间（Delay），T代表数据传输速率（Throughput），R代表可靠性（Reliability），C代表传输成本（Cost）。最后一位留空但必须设为零以确保合法有效性
• 现多采用差分服务（DiffQ），其最后两位未被利用。若前6位格式为XXXXX0形式，则表示由因特网主机分配地址；若格式为XXXX11，则表示由本地主机分配地址；若格式为XXXX01，则表示临时或实验性用途的数据包

总长度

• 使用16位编码表示首部与数据的整体长度，并以字节为单位计算。因此，在无额外限制的情况下，默认情况下最大可能的数据包大小是2^{16}-1=6\text{,} \! \text{千} \text{,} \! \text{五十五} \text{B}。
• 最少IP分组头部占用20\text{ B}。
• 最大可封装的数据量等于理论上限减去头部所需空间（即6\text{,}\!\text{千}\!\text{,}\!\text{五十五}\text{B}-20\text{ B}=6\text{,}\!\text{千}\!\text{,}\!\text{五十三十五}\text{B}）。

标识

• 该字段占用16位。
  • 表示为一个计数器。
    • 用来生成数据报的ID号码。
      • 只有当同一份原始数据段分割成多个IP数据包时才会拥有相同的ID号码。

标志

• 占用3bit位，仅后两位具有实际意义。
• 标志字段中的最低位标识为MF（More Fragment）。当MF=1时，表示后续存在分片；当MF=0时，则表示当前为最后一片。
• 标志字段中间那位标识为DF（Don’t Fragment）。因此，在DF=0的情况下允许分片。
• 最高位被保留下来。

片偏移

• 13位编码中，“片偏移”用于确定较长序列分割后的某一部分相对于原始分割的位置；其位移量采用每8个字节作为基准。

生存时间

• 8bit, 称为TTL（Time To Live）, 表示IP分组在网络安全中可穿越的路由器数量（或跳跃次数）。这种计时机制旨在限制数据包在网络中的传输持续时间, 其原始单位是秒, 但为了便于管理, 现在统一以"跳跃次数"作为TTL的计量单位。
• 每次数据包穿越一个路由器时, 其TTL计数值递减1。
• 当数据包的TTL计数值归零时, 则表示该IP分组应被丢弃。

协议

• 协议（8bit）字段标识数据报中所使用的具体协议类型。
• 该IP分组所包裹的数据属于哪种通信协议。
• 实现了数据传输的复用与分离过程。
• 例如：编号6对应TCP段；编号17对应UDP数据报。

首部校验和

• 首部校验和（16bit）字段仅校核数据报的头部信息而不涉及数据内容部分，在本系统中未采用CRC检验码而采用了更为直接的计算方式
• 负责对IP分组头部信息实施差错检测功能
• 计算过程设定该字段值为全零状态
• 采用反码加法运算方式累计求取结果值，并以反码形式存储于首部校验和字段中
• 实施逐帧处理过程以实现连续报错检测与定位

源地址、目的地址

• 源地址和目的地址各自占用4个字节
  • 分别标识发送分组的源主机/路由器及接收分组的目的主机/路由器（网络接口）用于接收分组的IP地址

IP数据报首部的可变部分

• IP首部中的变动部分相当于一个选项字段，在1至40B之间灵活变化：它包含安全信息、源选路径记录以及时间戳等数据项，并通过提供故障排查、性能监控以及安全性增强等功能而发挥作用。
• 选项字段的具体长度由所选项目决定。
• 通过增加首部中的变动部分来增强IP数据报的功能表现形式的同时也会导致IP数据报头部大小随之变得灵活起来。
• 实际上这些选项通常不会被采用。

填充字段

• 数据字段占长度可变，在0到3B之间：目的是补齐整个首部，并遵循32位对齐规则；确保整个数据块的起始位置能够被4字节整除。

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)

• 一个IP分组被分割成多个IP分组

  • IP片段在抵达目标主机后完成重组过程

  • IP头中的相关字段负责标识各片段并确定它们之间的顺序关系

    • 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协议采用一个计数器来标识每个IP分组，在每次产生新的IP分组时会将计数器加1。

• 标志位字段占用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

• 假设原始IP数据包长度为L，则目标链路的最大传输单元大小为M
  • 当L大于M且DF字段值等于0时，则需进行数据包切分数值计算
  • 在数据包切分过程中，默认情况下会复制原始IP数据包的标识字段
  • 其中最后一个数据包通常是未切分为多个小单元的状态
  • 单个最大允许大小的数据单元应为8B的整数倍，请计算单个最大允许大小的数据单元的具体数值：

    \text{Max Data Size} = \text{MTU} - \text{头信息长度}

• 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：