网络层协议，TCP/IP之IP协议

IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。IP位于网络层，处于链路层之上，传输层之下。IP是一种无连接、不可靠的报文传送方式。

IP首部

我们知道，链路层以太网帧中的Type字段如果是0x0800，则表示该以太网帧中封装的是IP报文。

下面来看一下IP报文的封装结构：

不含option选项的普通IP数据报文的头部共20个字节，下面分别说明每个字段的含义。

4bit版本：表示IP协议版本号，0100即4表示IPV4。

4bit首部长度：表示IP头的长度，这个长度指的是IP头有多少个32bit。如果不携带option选项，IP头长度为20个字节，即有5个32bit，那么这4个bit的首部长度就是0101，也就是5。由于首部长度占用4个bit，因此最大是1111（15），也就是说IP头的长度最大是15个4字节，即60字节。

8bit服务类型TOS：早期RFC定义TOS字段包括3bit的优先权、4bit的TOS子字段和1bit的未用位（必须置0）。4bit的TOS分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用，4bit中只能有一个bit置1。使得报文获得更好的服务。

但是在RFC2474中，对TOS字段进行了重新定义，用TOS字段的前6bit表示DSCP（差分服务代码点（DifferentiatedServices Code Point），用来区分服务的优先级，保证QoS。

RFC3168中又定义了最后2个bit为ECN（Explicit Congestion Notification显式拥塞指示），用来指示当发生拥塞时，报文如何处理。

16bit总长度：指整个IP报文的长度，包括IP头长度。由于该字段长16个bit，所以IP报文最长是65535个字节。但实际网络中的报文没有这么长，超长报文会根据MTU进行分片。

16bit标识符ID：ID字段唯一标识主机发送的一个IP报文，通常情况下，每发送一个报文，这个ID值会加1。

3bit标志：3bit标识是报文的分片标识，第一个bit保留，第二个bit表示报文是否可以分片，如果置1，则表示报文不允许分片，第三个bit表示报文是否存在其他分片，如果置1，表示报文还有其他分片，最后一个分片该位置0。

13bit片偏移：指该片偏移原始报文开头处的位置，用于重组时，确定分片在整个报文中的位置。

8bit TTL：TTL即time to live 生存时间，初始值一般是64，每经过一个路由器该值会减1，当TTL为0时，报文要被丢弃。防止报文在网络中不断环回。同时，丢弃报文的设备会根据报文头中的源IP地址向源端发送ICMP错误消息。

8bit协议：协议字段表示在IP层之上的协议类型。例如01表示ICMP，17表示UDP，6表示TCP。

16bit首部校验和：即checksum，计算时，先把校验和字段置为0，然后对首部中每个16bit进行二进制反码求和，将结果存到校验和字段中。接收方收到报文后，直接对IP首部每个16bit进行二进制反码求和，如果计算结果为全1，则报文校验正确。如果不是全1，则校验和错误，丢弃报文。

32bit源IP地址：发送方IP地址。

32bit目的IP地址：接收方IP地址。

Option选项：根据需要加入Option选项，可以是时间戳、记录路径、安全和处理限制等。Option选项必须是32bit的整数倍。

IP分片和重组

网络中转发的IP报文的长度可以不同，但如果报文长度超过了数据链路所支持的最大长度，则报文需要分割成若干个较小的片段才能够在链路上传输。将报文分割成多个片段的过程叫做分片。

接收端根据分片报文中的标识符（Identification），标志（Flags)，及片偏移（Fragment Offset）字段对分片报文进行重组。同一个报文的多个分片的标识符ID相同。标识符ID用于识别属于同一个数据包的分片，以区别于同一主机或其他主机发送的其它数据包分片，保证分片被正确的重新组合。3bit标志字段用于判断是否已经收到最后一个分片。最后一个分片的标志字段设置为0，其他分片的标志字段设置为1，目的端在收到标志字段为0的分片后，开始重组报文。片偏移字段表示每个分片在原始报文中的位置。第一个分片的片偏移为0，第二个分片的片偏移表示紧跟第一个分片后的第一个比特的位置。比如，如果首片报文包含1259比特，那么第二片报文的片偏移字段值就应该为1260。