IPv4 数据包结构

IPv4 - 数据包结构

互联网协议 (IP) 工作在 OSI 模型（开放系统互连模型）的第 3 层（网络层）。它接收来自第 4 层（传输层，例如 TCP 或 UDP）的数据段，并将它们封装到 IP 数据包中。每个 IP 数据包都包含一个头部（header）和一个有效载荷（payload，即第 4 层数据）。

IP 头部包含用于在网络间路由和传递数据包的关键信息。理解 IPv4 头部结构是理解 IP 如何工作的关键。

典型的 IPv4 头部长度为 20 字节，除非存在选项（options）。以下是其字段的详细说明：

• Version (4 bits): 指定 IP 版本。对于 IPv4，此字段始终为 4（二进制 0100）。
• IHL (Internet Header Length) (4 bits): IP 头部的长度，以 32 位字为单位。最小值为 5（对于 20 字节的头部，5 x 4 字节 = 20 字节）。如果存在选项，此值将大于 5。
• DSCP (Differentiated Services Code Point) (6 bits): 原服务类型 (ToS) 字段的一部分，现在用于差分服务 (DiffServ)，通过对报文进行分类来实现服务质量 (QoS)。
• ECN (Explicit Congestion Notification) (2 bits): 同样是原 ToS 字段的一部分，ECN 允许路由器在不丢弃报文的情况下向端点发送网络拥塞信号。
• Total Length (16 bits): IP 数据包（头部 + 有效载荷）的总长度，以字节为单位。最大长度为 65,535 字节，尽管由于网络 MTU（最大传输单元）的限制，数据包通常远小于此值。
• Identification (16 bits): 如果一个 IP 数据包被分片（为穿越具有较小 MTU 的网络而分解成更小的片段），则原始数据包的所有分片共享相同的 Identification 值。这使得目标主机能够重组它们。
• Flags (3 bits): 用于分片控制：
• Fragment Offset (13 bits): 当数据包被分片时，此字段指定该分片的数据相对于原始 IP 数据包数据部分起点的偏移量。它以 8 字节单位进行测量。
• Time to Live (TTL) (8 bits): 一个计数器，限制数据包的生存期。由发送方设置，每经过一个转发数据包的路由器，TTL 值会减一。如果在数据包到达目标之前 TTL 达到零，则数据包将被丢弃，以防止它在网络中无限循环。通常会向源端发送一个 ICMP 超时消息。
• Protocol (8 bits): 标识有效载荷中携带的数据的协议（即下一层协议）。常见值包括 1 (ICMP)、6 (TCP) 和 17 (UDP)。
• Header Checksum (16 bits): 仅对 IP 头部计算的校验和。用于检测传输过程中头部中的错误（损坏）。由于 TTL 字段在每跳（hop）都会改变，路由器必须重新计算并更新校验和。
• Source IP Address (32 bits): 数据包原始发送方的 IPv4 地址。
• Destination IP Address (32 bits): 数据包最终接收方的 IPv4 地址。
• Options (variable length, optional): 如果 IHL > 5，此字段包含一个或多个选项，例如安全（Security）、记录路由（Record Route，用于列出经过的路由器）或时间戳（Timestamp）。由于性能开销，选项在典型互联网流量中不常用。如果存在选项，可能会添加填充（padding，即零）以确保头部长度是 32 位的倍数。