IPv4首部格式-Toy模板网

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IPv4首部格式

IPv4数据报的首部格式及其内容是实现IPv4协议各种功能的基础。
在TCPIP标准中，各种数据格式常常以32比特(即4字节)为单位来描述。

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IPv4首部格式图

助记:

第一行是版本+长度+区分服务
第二行是与分片相关的字段,标识,标志,片偏移
第三行是生存时间,协议和首部检验和
接下来两行是IP地址

IPv4数据报的组成

主要由固定部分(20字节)+可变部分(最大40字节)

固定部分是指每个IPv4数据报都必须要包含的部分。
某些IPv4数据报的首部，除了包含20字节的固定部分，还包含一些可选的字段来增加IPv4数据报的功能。

固定部分组成

版本
- 长度为4个比特，用来表示lP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协议的版本号为4(即IPv4)。
首部长度
- 长度为4个比特，该字段的取值以4字节为单位，用来表示IPv4数据报的首部长度。
- 最小取值为二进制的0101，即十进制的5，再乘以4字节单位，表示IPv4数据报首部只有20字节固定部分。
- 最大取值为二进制的1111，即十进制的15，再乘以4字节单位，表示IPv4数据报首部包含20字节固定部分和最大40字节可变部分。
区分服务
长度为8个比特，用来获得更好的服务。
该字段在旧标准中叫作服务类型，但实际上一直没有被使用过。1998年，因特网工程任务组ETF把这个字段改名为区分服务。利用该字段的不同取值可提供不同等级的服务质量。
只有在使用区分服务时该字段才起作用，一般情况下都不使用该字段。
总长度
- 长度为16个比特，该字段的取值以字节为单位，用来表示IPv4数据报的长度（首部长度+数据载荷长度)。最大取值为二进制的16个比特1，即十进制的65535(很少传输这么长的IPv4数据报)。

引入概念—IPv4数据报分片
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下面介绍的 标识字段,标志字段,片偏移字段,共同用于IPv4数据报分片

标识
- 长度为16个比特，属于同一个lPv4数据报的各分片数据报应该具有相同的标识。
- IP软件会维持一个计数器，每产生一个IPv4数据报，计数器值就加1，并将此值赋给标识字段。
标志
- 最低位(More Fragment，MF)
  - MF=1表示本分片后面还有分片
  - MF=0表示本分片后面没有分片
- 中间位(Don’t Fragment，DF)
  - DF=1表示不允许分片
  - DF=0表示允许分片
- 最高位为保留位，必须设置为0
片偏移
- 长度为13个比特，该字段的取值以8字节为单位，用来指出分片IPv4数据报的数据载荷偏移其在原IPv4数据报的位置有多远。
生存时间(Time To Live，TTL)
- 长度为8个比特，最大取值为二进制的111111，即十进制的255。该字段的取值最初以秒为单位。因此，IPv4数据报的最大生存时间最初为255秒。路由器转发IPv4数据报时，将其首部中该字段的值减去该数据报在路由器上所耗费的时间，若结果不为0就转发，否则就丢弃。
协议
- 长度为8个比特，用来指明IPv4数据报的数据载荷是何种协议数据单元PDU.
首部检验和
- 长度为16个比特，用于检测IPv4数据报在传输过程中其首部是否出现了差错。
- IPv4数据报每经过一个路由器，其首部中的某些字段的值（例如生存时间TTL、标志以及片偏移等）都可能发生变化，因此路由器都要重新计算一下首部检验和。
  首部检验和的计算方法:

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首部检验和计算的重点在于二进制反码求和的运算:

两个数进行二进制反码求和的运算规则是从低位到高位逐列进行计算:
- 0和0相加是0
- 0和1相加是1
- 1和1相加是0，但要产生一个进位1，加到下一列(再进行+1操作)
- 若最高位相加后产生进位，则最后得到的结果要加1

举例:
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可变部分组成

可选字段
- 长度从1字节到40字节不等，用来支持排错、测量以及安全措施等功能。
- 虽然可选字段增加了IPv4数据报的功能，但这同时也使得IPv4数据报的首部长度成为可变的，这就增加了因特网中每一个路由器处理IPv4数据报的开销。
填充
- 用来确保lPv4数据报的首部长度是4字节的整数倍，使用全0进行填充。