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IP数据报

news/2024/10/12 21:09:37

IP数据报的格式

一个IP分组(或称IP数据报)由首部和数据部分组成。首部前一部分的长度固定，共20B,是所有IP分组必须具有的。在首部固定部分的后面是一些可选字段，其长度可变，用来提供错误检测及安全等机制。IP数据报的格式如图4.5所示。

版本。占4位。指IP的版本，IPv4数据报中该字段值是4。
首部长度。占4位。以4B为单位，最大可表示的首部长度为60B(15×4B)。最常用的首部长度是20B(5×4B),该字段值是4,此时不使用任何可选字段。

IP首部前两个字节往往以0x45开头，解题时可用于定位 IP数据报的开始位置。

总长度。占16位。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\(2^{16}\)-1=65535B。以太网帧的最大传送单元(MTU)为1500B,因此当一个IP数据报封装成帧时，数据报的总长度(首部加数据)一定不能超过下面的数据链路层的MTU值。
标识。占16位。它是一个计数器，每产生一个数据报就加1,并赋值给标识字段。但它并不是“序号”(因为IP是无连接服务)。当一个数据报的长度超过网络的MTU时，必须分片，此时每个数据报片都复制一次标识号，以便能正确地重装成原来的数据报。
标志(Flag)。占3位。标志字段的最低位为MF,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,只有当DF=0时才允许分片。
片偏移。占13位。它指出较长的数据报在分片后，某片在原数据报中的相对位置，片偏移以8B为偏移单位。除最后一个分片外，每个分片的长度一定是8B的整数倍。
生存时间(TTL)。占8位。数据报在网络中可通过的路由器数的最大值，标识数据报在网络中的寿命，以确保数据报不会永远在网络中循环。路由器在转发数据报前，先将TTL减1。若TTL被减为0,则该数据报必须丢弃。
协议。占8位。指出此数据报携带的数据使用何种协议，即数据报的数据部分应上交给哪个协议进行处理，如TCP、UDP等。其中值为6表示TCP,值为17表示 UDP。
首部检验和。占16位。它只检验数据报的首部，但不包括数据部分。这是因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算首部检验和(有些字段，如生存时间、总长度、标志、片偏移、源/目的地址都可能发生变化)。不检验数据部分可减少计算的工作量。
源地址字段。占4B,标识发送方的IP地址。
目的地址字段。占4B,标识接收方的IP地址。

在IP 数据报首部中有三个关于长度的标记，即首部长度、总长度、片偏移，它们的基本单位分别为4B、1B、8B(需要记住)。题中常出现这几个长度之间的加减运算。

首部校验和的计算

在发送方，首先将IP数据报首部划分为许多16位字的序列，并把检验和字段置零。用反码算数运算把所有16位字相加后，将得到的和的反码写入检验和字段。接收方在接到数据报后，把首部的所有16位字在使用反码算数运算相加一次，将得到的和取反码，即得到接收方检验和的计算结果，若首部未发生任何变化，则此结果必为0，于是就保留这个数据报，否则就认为出差错，将这个数据报丢弃。

反码算数运算：与普通算数运算的唯一区别就是，当最高位产生进位时，要进行一个回卷操作，即将最高位进位加到最低位，直到不再产生新的最高位进位为止

下面我们来举一个实际例子，对1101,1011进行校验

(1011) + (1101) = (1000) 进1,将这个进位加到结果的末位，得到(1001),再取反码，于是校验和就是(0110)

下面进行校验

(1011) + (1101) + (0110) = (1110)进1，将这个进位加到结果的末位得到(1111),再取反码得到0，说明没有发生错误

IP数据报的分片

一个链路层数据帧能承载的最大数据量称为最大传送单元(MTU)。因为IP数据报被封装在链路层的帧中，因此链路层的MTU严格地限制了 IP数据报的长度，而且在IP 数据报的源与目的地路径上的各段链路可能使用不同的链路层协议，有不同的 MTU。例如，以太网的 MTU为1500B,而许多广域网的MTU不超过576B。当IP数据报的总长度大于链路 MTU时，就需要将IP数据报中的数据分装在多个较小的IP数据报中，这些较小的数据报称为片。

IP分片涉及一定的计算。例如，一个长4000B的IP 数据报(首部 20B,数据部分3980B)到达一个路由器，需要转发到一条MTU为1500B的链路上。这意味着原始数据报中的3980B数据必须分配到3个独立的片中(每片也是一个IP数据报),每片的数据部分依次为1480B、1480B和1020B。假定原始数据报的标识号为777,则分成的3片如图4.6所示。可见，因为偏移值的单位是8B,所以除最后一个片外，其他所有片中的数据部分都为8B的倍数。