IP数据报文字段详解

IP数据报文概述

IP（Internet Protocol）数据报文是互联网协议中最基础的数据传输单元。每个IP数据报都包含了确保数据能够正确传输所需的各种信息。本文将详细介绍IP数据报文的各个字段及其作用。

IP数据报文结构

IP数据报文主要由首部和数据两部分组成。其中首部包含了控制信息，而数据部分包含了上层协议的数据。

首部字段详解

版本（Version）- 4位
- 用于标识IP协议的版本
- IPv4的值为4，IPv6的值为6
首部长度（IHL，Internet Header Length）- 4位
- 标识IP首部的长度
- 以32位（4字节）为单位
- 最小值为5（表示20字节），最大值为15（表示60字节）
服务类型（Type of Service）- 8位
- 用于指定服务质量
- 包含优先级和服务类型信息
- 现代网络中常用于区分服务（DiffServ）
总长度（Total Length）- 16位
- 标识整个IP数据报的长度
- 包括首部和数据部分
- 最大值为65535字节
标识（Identification）- 16位
- 用于分片重组
- 同一数据报的所有分片具有相同的标识值
标志（Flags）- 3位
- 控制数据报分片
- 包括：
  - DF（Don’t Fragment）：禁止分片
  - MF（More Fragments）：后面还有分片
片偏移（Fragment Offset）- 13位
- 指示分片在原始数据报中的位置
- 以8字节为单位
生存时间（TTL，Time To Live）- 8位
- 防止数据报无限循环
- 每经过一个路由器减1
- 当值为0时，数据报被丢弃
协议（Protocol）- 8位
- 指示上层协议类型
- 常见值：
  - 1 = ICMP
  - 6 = TCP
  - 17 = UDP
首部校验和（Header Checksum）- 16位
- 用于检验首部的完整性
- 不包括数据部分的校验
源IP地址（Source Address）- 32位
- 发送方的IP地址
目的IP地址（Destination Address）- 32位
- 接收方的IP地址
选项（Options）- 可变长度
- 可选字段
- 包含特殊处理信息
- 很少使用

IP数据报文分片

当IP数据报文大小超过网络的MTU（最大传输单元）时，需要进行分片处理：

分片规则
- 每个分片都必须是8字节的整数倍
- 除最后一个分片外，其他分片的大小应该相等
- 所有分片都保持相同的标识字段值
分片重组
- 目的主机负责重组
- 根据标识字段和片偏移进行重组
- MF标志位用于判断是否为最后一个分片

实际应用举例

MTU发现

1
ping -D -s 1472 8.8.8.8  # 测试最大MTU

查看IP报文结构

1
tcpdump -xx -i eth0  # 抓取并显示完整的IP报文

IP数据报文结构图

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
比特   0   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31
     +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
   0 |版本号(4)    |首部长度(4) |     服务类型(8)                    |                   总长度(16)                                    |
     +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
  32 |                   标识(16)                                    |标志(3)|                片偏移(13)                               |
     +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
  64 |    生存时间(8)           |    协议(8)            |                   首部校验和(16)                                            |
     +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
  96 |                                                    源IP地址(32)                                                                |
     +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
 128 |                                                    目的IP地址(32)                                                              |
     +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
 160 |                                                 选项 + 填充(可变长度)                                                          |
     +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+
     |                                                    数据部分(可变长度)                                                           |
     +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+

服务类型(ToS)字段详细结构

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
 0   1   2   3   4   5   6   7
+---+---+---+---+---+---+---+---+
|  优先级   | D | T | R | C |未用|
+---+---+---+---+---+---+---+---+
    其中：
    - 优先级(0-2位)：指定数据包的优先级
    - D(3位)：延迟，0=普通，1=低延迟
    - T(4位)：吞吐量，0=普通，1=高吞吐量
    - R(5位)：可靠性，0=普通，1=高可靠性
    - C(6位)：成本，0=普通，1=最小成本
    - 未用(7位)：保留位

首部结构说明

固定部分（20字节）
- 版本号到首部校验和的部分
- 每个IP数据报必须包含的内容
- 长度固定不变
可变部分（最多40字节）
- 选项字段
- 填充字段
- 长度可变，必须是32位的整数倍
数据部分
- 可变长度
- 承载上层协议的数据
- 受MTU限制

IP首部结构表

基本结构（按字节分布）

字节位置	0	1	2
0-3	版本(4位)+首部长度(4位)	服务类型(8位)	总长度(16位)
4-7	标识符(16位)	标志(3位)+片偏移(13位)
8-11	生存时间(8位)	协议(8位)	首部校验和(16位)
12-15	源IP地址(32位)
16-19	目的IP地址(32位)
20+	选项+填充(如果有，0-40字节)

按位分布详解

第0行（0-3字节）：

1
2
3
4
5
 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|版本|  首部长度 |    服务类型    |            总长度             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

第1行（4-7字节）：

1
2
3
4
5
 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|             标识符            |标志|         片偏移            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

第2行（8-11字节）：

1
2
3
4
5
 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|    生存时间    |     协议      |          首部校验和           |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

第3-4行（12-19字节）：

1
2
3
4
5
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                           源IP地址                             |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                          目的IP地址                            |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

第5行及以后（20+字节，如果有）：

1
2
3
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                   选项 + 填充（如果有）                         |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

字段说明

第0-3字节字段
- 版本：4位，IPv4为4，IPv6为6
- 首部长度：4位，以4字节为单位（最小值5，最大值15）
- 服务类型：8位，指定服务质量
- 总长度：16位，首部+数据的总字节数（最大值65535）
第4-7字节字段
- 标识符：16位，用于分片重组
- 标志：3位（保留位、DF位、MF位）
- 片偏移：13位，以8字节为单位
第8-11字节字段
- 生存时间：8位，经过路由器减1，为0时丢弃
- 协议：8位，上层协议类型
- 首部校验和：16位，只检验首部
第12-19字节字段
- 源IP地址：32位
- 目的IP地址：32位
第20+字节字段（如果有）
- 选项：可变长度，0-40字节
- 填充：确保首部是4字节的整数倍

协议字段值对照表

协议值	协议名称	说明
1	ICMP	Internet控制报文协议，用于发送错误消息
2	IGMP	Internet组管理协议，用于多播
6	TCP	传输控制协议，面向连接的可靠传输
17	UDP	用户数据报协议，无连接的不可靠传输
47	GRE	通用路由封装，用于VPN
50	ESP	IPSec加密安全载荷，提供加密和认证
51	AH	IPSec认证头，提供数据完整性
89	OSPF	开放最短路径优先，内部网关路由协议

服务类型(ToS)字段详解

位置	名称	值	含义
0-2	优先级	000	常规
		001	优先
		010	立即
		011	闪电
		100	覆盖
		101	关键
		110	网间控制
		111	网络控制
3	延迟	0	正常延迟
		1	低延迟
4	吞吐量	0	正常吞吐量
		1	高吞吐量
5	可靠性	0	正常可靠性
		1	高可靠性
6	成本	0	正常成本
		1	最小成本
7	保留	0	保留未用

标志字段说明表

位	名称	值	含义
0	保留	0	必须为0
1	DF	0	允许分片
		1	不允许分片
2	MF	0	最后的分片
		1	还有分片

总结

IP数据报文的字段设计非常精巧，每个字段都有其特定的用途，共同保证了网络通信的可靠性和效率。理解这些字段的含义对于：

网络故障排查
性能优化
安全防护

都有重要意义。