【计算机网络笔记】Internet网络的网络层——IP协议之IP数据报的结构

系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议
传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议
传输层——TCP特点与段结构
传输层——TCP的可靠数据传输
TCP连接管理（图解三次握手和四次挥手）
传输层——拥塞控制原理与解决方法
TCP的拥塞控制机制
网络层服务与核心功能
网络层服务模型——虚电路网络
网络层服务模型——数据报网络

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Internet网络的网络层

先来概括性地来看一些Internet网络层的主要内容：

Internet网络是一个数据报网络，它实现的主要功能是路由转发。主机或路由器这些网络设备根据路由协议或算法进行路径的选择，然后将这些路径信息存储在转发表（路由表），这个表就供IP协议去处理和转发分组。在处理的过程中难免会出现一些差错，这个时候，就涉及到把一些差错信息传输给一些路由器或主机，这时就需要另外一个非常重要的协议，即ICMP协议，它主要用于伴随IP协议的运行，提供一些差错报告或在路由器、主机之间提供一些“信令”信息的传输。所以ICMP协议从一定程度上可以看作是IP协议的伴随协议。也就是说一般实现IP协议的同时也要实现ICMP协议。

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IP协议

IP数据报（分组）结构

IP数据报也称为IP分组。从结构上来说，主要包括两部分。分别是首部/头部和数据部分。数据是IP协议封装的上层的或其它层协议的数据分组，比如说TCP段。

将IP数据报展开来看，头部包括很多域或者说字段。作为头部，又可以分为两部分，一部分是固定部分，另一部分是可变部分。固定部分就是说这部分在所有IP数据报中的大小都是固定的。这个固定的部分总共是20个字节（一行32位即4字节，固定部分占了5行，就是5*4=20字节）。可变部分的长度是不确定的。可以是0,个，也可以是多个。

下面来逐一看看一个IP数据报每个字段的主要含义：

• 版本号字段占用4个比特位，标识IP协议的版本。如果是IPv4，就是4，如果是IPv6，就是6
• 首部长度字段占4位，给出整个IP分组的首部长度。计算的时候以4字节为单位，也可以理解为一行（因为一行32位，就是4字节）。如果这个字段的值为5，那么需要乘以4才能得到IP分组首部长度的字节数，也就是20字节
• 服务类型(TOS)字段占8位：最初的目的是这个IP分组在网络传输过程中期望获得哪种类型的服务
  • 1998 年这个字段改名为区分服务，也就是让网络能够区别对待不同的IP数据报，并且提供不同类型的服务。比如某些数据报优先转发，某些数据报之后转发
  • 这个字段只有在网络提供区分服务(DiffServ)时才有效
  • 在目前IPv4网络中，一般情况下不使用该字段，通常IP分组的该字段(第2字节)的值为00H
• 总长度字段占16位：IP分组的总字节数(首部+数据)。注意它是以字节为单位的。
  • 因为字段长度是16位，所以所能表示的最大IP分组的总长度是65535B。去掉最小的头部长度也就是20B，那么IP分组可以封装的最大数据：65535-20=65515B。当然这只是理论上，在实际中不会有这么大的分组
• 标识、标志位、片偏移与IP分组的分片有关，后面介绍
• 生存时间（TTL，Time To Live，也叫做存活时间）字段占8位，用来标识IP分组在网络中最多可以通过的路由器数（或跳步数）
  • 路由器转发一次分组，TTL减1，如果TTL=0，路由器则丢弃该IP分组，这时会向源主机发送一个ICMP报文
• 协议字段占8位：指示IP分组封装的是哪个协议的数据包
  • 实现复用/分解
  • 比如， 6为TCP，表示封装的为TCP段；17为UDP，表示封装的是 UDP数据报
• 首部校验和字段占16位：实现对IP分组首部的差错检测
  • 计算校验和时，该字段置全0
  • 运算算法与前面讲的UDP校验和的计算算法是一样的，采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段
  • 首部校验和在每一次转发也就是一跳的时候都要重新计算，重新校验。因此首部校验和是逐跳计算、逐跳校验的
• 源IP地址、目的IP地址字段各占32位：分别标识发送分组 的源主机/路由器(网络接口)和接收分组的目的主机/路由器 （网络接口）的IP地址
• 选项字段占长度可变，范围在1~40B之间：携带安全、源 选路径、时间戳和路由记录等内容
  • 实际上很少被使用，也就是0
• 填充字段占长度可变，范围在0~3B之间：目的是补齐整个 首部，符合32位对齐，即保证首部长度是4字节的倍数