IP数据报

IP数据报的格式能够说明IP协议都具有什么功能，IP数据报分为首部和数据两个部分，首部格式为固定长度的20字节，是所有IP数据报所都具有的。在首部的国定部分后面是一些可选部分。其长度是可变的，下图展示了IP数据报的格式，我们着重并解释其各首部字段意义。


(1)版本占4位,指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协议版本号为4(即Pv4)。关于以后要使用的IPv6(即版本6的IP协议)。

(2)首部长度占4位,可表示的最大十进制数值是15。请注意,首部长度字段所表示数的单位是32位字(1个32位字长是4字节)。因此,首部长度字段的最小值是5(即进制的0101),相当于IP首部长度为5×4=20字节。而当首部长度为1111时(即十进制的15),首部长度就达到最大值15个32位字长即60字节。当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时,必须利用最后的填充字段加以填充。因此IP数据报的数据部分永远在4字节的整数倍时开始,这样在实现IP协议时较为方便。首部长度限制为60字节的缺点是有时可能不够用。但这样做是希望用户尽量减少开销。最常用的首部长度就是20字节(即首部长度为0101),这时不使用任何选项。

(3)区分服务古8位,用来获得更好的服务。这个字段在旧标准中叫做服务类型,但实际上一直没有被使用过。1998年IETF把这个字段改名为区分服务DS只有在使用区分服务时,这个字段才起作用在一般的情况下都不使用这个字段。

(4)总长度总长度指首部和数据之和的长度,单位为字节。总长度字段为16位,因此数据报的最大长度为216-1=65535字节。然而实际上传送这样长的数据报在现实中是极少遇到的。我们知道,在IP层下面的每一种数据链路层协议都规定了一个数据帧中的数据字段的最大长度,这称为最大送单元MTU( Maximum transfer Unit)。当一个P数据报封装成链路层的帧时,此数据报的总长度(即首部加上数据部分)一定不能超过下面的数据链路层所规定的MTU值。例如,最常用的以太网就规定其MTU值是1500字节。若所传送的数据报长度超过数据链路层的MTU值,就必须把过长的数据报进行分片处理。

(5)标识( identification)占16位。IP软件在存储器中维持一个计数器,每产生一个数据报,计数器就加1,并将此值赋给标识字段。但这个“标识”并不是序号,因为IP是无连接服务,数据报不存在按序接收的问题。当数据报由于长度超过网络的MTU而必须分片时,这个标识字段的值就被复制到所有的数据报片的标识字段中。相同的标识字段的值使分片后的各数据报片最后能正确地重装成为原来的数据报

(6)标志ag)占3位,但目前只有两位有意义。标志字段中的最低位记为MF( More Fragment)。MF=1即表示后面“还有分片”的数据报。MF=0表示这已是若干数据报片中的最后一个。标志字段中间的一位记为DF( Dont Fragment),意思是“不能分片”。只有当DF=0，寸才允许分片。

(7)片偏移占13位。片偏移指出:较长的分组在分片后,某片在原分组中的相对位置。也就是说,相对于用户数据字段的起点,该片从何处开始。片偏移以8个字节为偏移单位。这就是说,每个分片的长度一定是8字节(64位)的整数倍。
(8)生存时间占8位,生存时间字段常用的英文缩写是 TTL(表明据报在网络中的寿命。由发出数据报的源点设置这个字段。其目的是防止无法交付的数据报无限制地在因特网中兜圈子(例如从路由器R1转发到R2,再转发到R3,然后又转发到R1),因而白白消耗网络资源。最初的设计是以秒作为TIL值的单位。每经过一个路由器时,就把TIL减去数据报在路由器所消耗掉的一段时间。若数据报在路由器消耗的时间小于1秒,就把TIL值减1。当TTL值减为零时,就丢弃这个数据报。然而,随着技术的进步,路由器处理数据报所需的时间不断在缩短,一般都远远小于1秒钟,后来就把TTL字段的功能改为“跳数限制”(但名称不变)。路由器在转发数据报之前就把TIL值减1。若TIL值减小到零,就丢弃这个数据报,不再转发。因此,现在TTL的单位不再是秒,而是跳数。TTL的意义是指明数据报在因特网中至多可经过多少个路由器。显然,数据报能在因特网中经过的路由器的最大数值是255。若把TTL的初始化设置为1,就表示这个数据报只能在本局域网中传送。因为这个数据报一传送到局域网上的某个路由器,在被转发之前TIL值就减小到零,因而就会被这个路由器丢弃。
(9)协议占8位,协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种协议,以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给哪个处理过程。常用的一些协议和相应的协议字段值如下:

(10)首部检验和占16位。这个字段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,路由器都要重新计算一下首部检验和(一些字段,如生存时间、标志、片偏移等都可能发生变化)。不检验数据部分可减少计算的工作量。为了进步减小计算检验和的工作量,IP首部的检验和不采用复杂的CRC检验码而采用下面的简单计算方法:在发送方,先把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。反码算术运算把所有16位字相加后,将得到的和的反码写入检验和字段。接收方收到数据报后,将首部的所有16位字再使用反码算术运算相加一次。将得到的和取反码,即得出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。否则即认为出差错,并将此数据报丢弃。下图为校验和计算过程

(11)源地址：占32位。
(12)目的地址：占32位。

关于IP数据报的可变部分

IP首部的可变部分就是一个选项字段。选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施,内容很丰富。此字段的长度可变,从1个字节到40个字节不等,取决于所选择的项目。某些选项项目只需要1个字节,它只包括1个字节的选项代码。但还有些选项需要多个字节,这些选项一个个拼接起来,中间不需要有分隔符,最后用全0的填充字段补齐成为4字节的整数倍。
增加首部的可变部分是为了增加IP数据报的功能,但这同时也使得IP数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销。实际上这些选项很少被使用很多路由器都不考虑IP首部的选项字段,因此新的IP版本IPV6就把IP数据报的首部长度做成固定的。这里就不讨论这些选项的细节了。

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