IP 协议头部结构

ZingLix July 26, 2018

IP 是 TCP/IP 协议中的核心协议,为 TCP、UDP 等协议提供了一种尽力而为、无连接的数据报传输服务,也就意味着 IP 协议不保证成功传输,也不维护数据报相关的链接状态信息。

IPv4 头部

IPv4 数据报头部至少为 20 字节,结构如下。

  • 版本:确定 IP 协议的版本(IPv4 或 IPv6),从而能正确解释后面的内容。
  • IHL(头部长度):由于选项的存在,由此字段确定数据从何处开始。
  • DS(区分服务,DiffServ):用于支持其他不同类型的服务(非尽力而为的)。可以区分一些可能要求低时延或者其他要求的服务。
  • ECN:拥塞标识符。当路由器感知到拥塞时会设置这两位以降低发送速度。
  • 总长度:IP 数据报的总长度,包括首部和头部,字节为单位。由于位数限制最多 65535 字节,所以数据大小最多为 65515 字节,但是链路层一般不能携带这么大的数据,很少超过 1500 字节。
  • 标识、标志、分片偏移:用于 IP 分片。传输过程有些协议并不能携带过大的数据,所以只能分为多个部分发送。标识避免与其他数据报分片混淆。最后一片标志设为 0,其他的设为 1。偏移指明是第几个分片,用于正确组装。
  • 生存期(Time-To-Live,TTL):标识可通过的路由器数量上限。每经过一个路由器将该值减一,为 0 时丢弃,避免在一个网络环路中无限传输。
  • 协议:指示了上层是什么协议,6 为 TCP,17 为 UDP。
  • 头部校验和:用 16 位反码和(Internet 校验和)计算头部,对于数据部分校验由上层协议实现。由于 TTL 每经过一次路由器都会改变,校验和也要因此重新计算。

IPv6 头部

IPv6 协议扩大了 IP 地址的位数,对于头部也有所精简,结构如下。

  • 版本、DS、ECN:同 IPv4。
  • 流标签:用于为特殊的分组加上标签,不过目前流的确切含义未完全确定。
  • 负载长度:标识跟在定长的 40 字节数据报后的字节数量。
  • 下一个头部:标识需要交给哪个协议,使用与 IPv4 中协议字段相同的值,但也有可能交给拓展首部,所以名称不同。
  • 跳数限制:与 IPv4 中 TTL 相同。但由于 TTL 最初定义为最大生存期在几秒内,现在此规则已被忽略,所以被重新命名。

相比 IPv4 有几个重要的字段都被取消:

  • 分片和组装。该操作改为在源和目的地上进行。路由器收到过大的报文直接丢弃并返回“分组太大”的差错报文。
  • 校验和字段。因为上层协议往往有差错检测机制,而且每一跳校验和必须重新计算,十分耗时。
  • 选项。这样使得 IPv6 头部长度固定为 40 字节,但是选项这一功能未被删除,其可能出现在下一个头部的位置,相比 IPv4 提供了更灵活的拓展方式。