计算机网络漫谈之IP数据包

网络层从 网络层 、IP与子网掩码 前前后后我们也说了两次了，IP 这个东西絮絮叨叨的也一直在提。今天我们来解开IP协议的面纱，还记得我们之前在数据链路层说的物理帧的结构吗？就是这样：

其中Head叫标头，包含源和目的MAC地址，那时我们还没有IP的概念，但是我们用广播的方式也已经能实现全世界范围的通信，但之后我们否定了这种方式，因为会造成网络拥堵，浪费资源。因此就有了子网络，自此，MAC地址和IP地址就随机的结合在了一起，网络通信发送的数据包中也就有了IP地址。但是上面说的帧头部（Head）中只包含MAC地址，并没有IP地址的栏位，那么是否需要修改数据定义，再添加一个栏位呢？

回答是不需要，我们可以把IP数据包直接放进以太网数据包的”数据”部分，因此完全不用修改数据链路层帧的结构。这就是互联网分层结构的好处：上层的变动完全不涉及下层的结构。我们先来说IP数据包，具体来说，IP数据包也分为”标头”和”数据”两个部分。

“标头”部分主要包括版本、长度、IP地址等信息，”数据”部分则是IP数据包的具体内容。IP数据包的”标头”部分的长度为20到60字节（下次我们仔细研究），整个数据包的总长度最大为65,535字节。因此，理论上，一个IP数据包的”数据”部分，最长为65,515（65,535-20）字节。前面说过，以太网数据包的”数据”部分，最长只有1500（MTU）字节。因此，如果IP数据包超过了1500字节，它就需要分割成几个以太网数据包，分开发送了。我们将它放进以太网数据包后，以太网数据包就变成了下面这样。

上面红色的是网络层的IP数据包，它又作为了数据链路层“帧”的数据部分。是不是就能感受到这种从上向下逐层包装的意思，上层的数据包作为下层的数据部分，下层加入自己的包头组成自己本层完整的数据包。再往下层传递又作为下层的数据包，直到数据链路层的帧，最后被转换成高低电位发送。下面我们研究下IP数据包的包头，如图：

来看看每个字段的具体含义：

• 版本号　占4位，指IP协议的版本。IPv4的值为 4
• 头部长度　占4位，标识有多少个32bit字（4字节），4位最大为1111，能表示15，因此IP头部最长为15*4=60字节。
• 服务类型　占8位，可以设置不同的服务功能，例如小延迟和大吞吐量。
• 数据报总长度　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2^16-1=65535字节。
• 序列号　占16位。能唯一标识主机发送的每一个数据报。
• 分片标志　三个bit位。第一位保留，未使用。第二位是DF（Don’t Fragment），如果为1，表示未发生分片。第三位是MF（More Fragment），如果为1，表示发生了分片，并且除了分片出的最后一个报文中此标志为0，其余报文中此标志均为1。
• 偏移量　占13位。分片相对于原始IP数据报开始处的偏移。
• 生存时间　占8位，生存时间字段常用的的英文缩写是TTL(Time To Live)，表明是数据报在网络中的寿命。每经过一个路由器时，就把 TTL值减1。当TTL值为0时，就丢弃这个数据报。
• 上层协议　占8位，协议字段指出此数据报携带的数据是使用何种上层协议，以便使目的主机的IP层知道应将数据部分上交给上层哪个处理过程。
• 首部检验和　占16位。由发送端填充，接收端对其CRC检验以确定头部是否损坏。
• 源IP地址　 占32位。标识源IP。
• 目的IP地址　占32位。标识目的IP。

可以看到IP数据包头部还有许多除过IP之外的字段，他们一起配合才实现了网络层的重要功能。

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