IP数据报格式与用途

1.IP数据报组成及功能

IP分组称为数据报，由报头和数据两部分组成，数据报总长度限制在65535个B以内，其中，报头长度20～60B，因不同选项的运用而不同，剩余部分是来自上层数据。图5-2所示为IP数据报一般格式。

图5-2 IP数据报一般格式

IP数据报的数据是指上层协议传送过来的数据报，这些数据对IP模块是透明的。IP模块只产生IP报头将这些数据包装起来，然后如实传输到下一层。对从下层接收到的数据报，IP模块则把附加IP报头剥除并进行处理，然后再把数据传输到上一层。

2.IP报头基本格式

图5-3给出IP报头基本格式，报头长度20～60B，若不含Option，则报头基本长度20B。Option字段非必需，主要用于测试与安全。Padding是位填补字段，配合Option使用。

图5-3 IP报头基本格式

VER：Version是IP使用的IP协议版本，长度4bit。IP协议有IPv4、IPv6两种版本，IPv4的VER值为4，IPv6的VER值为6。

IHL：IHL（Internet Header Length）是IP报头的长度，该字段长度是4bit，IHL以4字节为计算单位。IP报头基本长度20B，所以IHL最小值为5；若含Option，IP报头最大长度60B，因此IHL最大值为15。

Service Type：服务类型表示数据报在网络中传输的处理方式，长度8bit，含3位优先等级位（precedence）、4位服务类型参数（Type Of Service，TOS）和1位保留位。

服务类型字段第7～5位是优先等级位，分为8级，数值越高则等级越高，表示该数据报越重要，须优先处理。当路由器出现拥塞而必须丢弃一些数据报时，低优先等级的数据报首先被丢弃。表5-1给出各种优先等级的值。

表5-1 服务类型优先等级

到目前为止，只有少数特殊网络如AUTODINII、ARPANET、PRNET等提供优先等级服务，IPv4网络很少使用。一般网络通常为Routine等级（000：路由信息）。

服务类型字段第4～1位是服务类型参数位（TOS），每一位代表不同标准，分别为延迟（Delay）、通信量（Throughput）、可靠度（Reliability）、成本（Cost）。虽每一位可为0或1，但TOS每一个组合的4个位中最多只有一位为l，其他3个位为0，默认值为0000。表5-2给出TOS的5种不同组合。

应注意，服务类型4个参数D、T、R、C并非简单组合，而是必须“牺牲”某些参数才可获得既定性能。如希望实现最小代价（0001），则必须牺牲Delay、Throughput、Reliability这3个参数，将其他的值都设为0，而只有“Cost”设为1。所以，在提高某参数性能的同时，通常会降低其他参数性能。不同应用程序对这4个参数的要求不同，见表5-3。

表5-2 服务类型参数（TOS）(www.xing528.com)

表5-3 某些应用程序的TOS组合

服务类型字段的第0位保留供以后使用，其值必须为0。

Total Length：数据报总长度。包括报头和数据，长度16bit，最大值是2¹⁶−1，即65535B。以目前技术看，长度为65535B的数据报显然太长，大部分网络都无法将如此长的数据报通过。但随着传输、交换、存取技术的进步，宽频网络日益普及，允许通过网络传输的数据报的长度可能大幅提高，将实现65535B数据报的传输。

Identification：ID是由源主机指定的数据报标识码，用于将分割后的小数据报重组成原始数据报。长度16bit，可标识65535个不同的数据报。ID唯一标识数据报或数据报的流，属于同一个流的数据报拥有相同的ID。目的主机在接收到分割后的小数据报时，根据此字段将所有ID相同的数据报放在重组表的同一区，然后按分割偏移值重组属于同一流的数据报。

Flags：Flags是分割控制标志，长度3bit。最高位是预留位，其值为0。第二位是“不分割（DF）”标志位，为0表示可分割，为l表示不分割；第三位是“更多分割（MF）”标志位，为0表示是最后一个数据报，为1表示后面还有数据报。

“DF”标志位还有一个重要用途，就是与ICMP信息配合使用以找出“传送路径最大传送单元（PMTU）”。基本操作过程是：首先源主机配置DF为1，然后将数据报发出，当数据报长度超过下一个网段的MTU时，路由器将丢弃该数据报，并发回“Destination Unreachable”的ICMP报文到源主机，表明DF标志已设但必须分割数据报才可传输。源主机可利用此信息重新调整MTU值，继续该过程，直到获得正确MTU值。该方法称“Path MTU Discovery”。

Fragment offset：分割偏移表示分割后的数据报在原始数据报中的位置，以8B为计算单位，第一个数据报偏移是0。未分割的数据报此值为0。该字段长度13bit，所以分割偏移量的最大值为2¹³-1，即8191。

Time to Live：表示数据报在IP网络中能存在的最长时间，长度8bit，所以TTL最大值为2⁸-1，即255s。TTL值由源主机设定，通常设为传输过程中可能经过的路由器数量的两倍。当数据报在网络中传输时，每经过一个路由器，TTL值减1，当路由器检测到TTL值为0时，则必须将该数据报丢弃。这样可避免数据报在两个或更多路由器之间停留时间过长，避免网络资源浪费。TTL另一用途是源主机有意限制数据报行程。如源主机希望把数据报限制在局域网范围，则把TTL设为l，当数据报到达第一个路由器时，TTL值便减为0，此时，路由器必须丢弃该数据报，则该数据报不会流出源主机所属的局域网。

Protocol：该字段表示IP协议的上一层协议，长度8bit。各种高层协议都有对应的Protocol值，表5-4是某些高层协议的Protocol值

表5-4 某些高层协议的Protocol值

Header Checksum：报头校验和字段长度16bit，用于数据报传输过程中的错误检测。数据报在网络中传输时，每经过一个路由器，IP报头某些字段就会发生变化，所以网络中的每一结点都必须进行数据报的校验和检测。

源主机产生IP报头时，先将报头校验和字段值设为0，然后将报头划分为16位的段，计算各段总和，再转换成反码，即可得到校验和，最后将校验和填入报头校验和，目的主机接收到数据报后，对其IP报头重复上述操作，计算出各段的总和并转换成反码，如得到的校验和为0，则表示该数据报无错，目的主机接收该数据报，否则就将该数据报丢弃。

Source Address：源地址字段长度为32bit，表示发送数据报的主机IP地址。在IP数据报从源主机发送到目的主机过程中，源地址字段内容必须保持不变。如分割数据报产生新的报头，必须将源地址字段的内容复制到所有新的IP报头的源地址字段。

Destination Address：目的地址字段长度32bit，表示接收数据报的目的主机的IP地址。在IP数据报从源主机发送到目的主机的过程中，目的地址字段内容必须保持不变。如分割数据报产生新的报头，必须将目的地址字段的内容复制到所有新的IP报头。

Padding：位填补字段，长度可变。当IP报头 长度不是4B的倍数时，就利用Padding在报头的最后面填入一连串0，直到报头的长度成为4B的倍数。