IP数据报格式

IP网络的数据传输最小单元被称为IP数据报（IP Datagram），它包含IP首部和数据两个部分，IP数据报作为数据会被封装进物理网络的帧中。如下面这张ER图所示：

erDiagram
    datagram["IP Datagram"] {
        bytes header
        bytes data
    }

    frame["Physical Network Frame"] {
        bytes header
        Datagram data
    }

    frame ||--|| datagram : "encapsulte as data"

IP协议可以提供分片（fragmentation）和重组（reassembly）的功能。IP数据报最大长度为65535个字节，所有IP主机必须实现不使用分片就能传输576个字节。每个数据报分片都拥有一个首部，它是从原始数据报首部中拷贝过来的。一个分片数据报被当作普通的IP数据报来处理并发送到目标地址。如果某一个分片丢失了，整个数据报都会被丢弃，因为IP层没有提供确认机制，目标主机会丢掉剩下的已经收到的分片数据报。

IP数据报格式

IP数据报至少有20个字节的首部，如下面这张ER图所示：

erDiagram
    datagram["IP Datagram"] {
        bits VERS           "版本号，4位"
        bits HLEN           "首部长度，4位，单位4字节"
        bits ServiceType    "请求的QOS，8位"
        bits TL             "总长度，16位"
        bits ID             "数据报ID，16位"
        bits FLG            "标志，3位"
        bits FragmentOffset "分片偏移量，13位，单位8字节"
        bits TTL            "生存时间，8位，单位秒"
        bits Protocol       "应用层协议编号，8位"
        bits HeaderChecksum "数据报首部校验和，16位"
        bits SourceIP       "源IP，32位"
        bits DestIP         "目标IP，32位"
        bits Options        "IP传输选项，可变长度"
        bits Padding        "存在选项时填充0来让数据报首部4字节对齐，可变长度"
        bits Data           "数据报数据部分，可变长度"
    }

    tos["ServiceType"] {
        bits Precedence     "优先级，3位"
        bits TOS            "服务类型值，4位"
        bits MBZ            "保留供将来使用，1位"
    }

    flag["FLG"] {
        bits Reserved       "保留，1位"
        bits DF             "不分片标志，0允许分片，1禁止分片，1位"
        bits MF             "更多分片标志，最后一个分片设置为0，其它为1，1位"
    }

    options["Options"] {
        OptionType Type     "IP选项类型，1个字节"
        byte Length         "选项长度，可以没有，1个字节"
        bytes Data          "选项数据，可以没有，length - 2个字节"
    }

    option_type["OptionType"] {
        bits FlagCopy       "分片时是否拷贝option配置，1拷贝，0不拷贝，1位"
        bits Class          "选项类型，2位"
        bits OptionNumber   "选项编号，5位"
    }

    datagram ||--|| tos : has
    datagram ||--|| flag : has
    datagram ||--|| options : has
    options  ||--|{ option_type : contains

ServiceType中Precedence定义了数据报的优先级，取值如下：

• 000 Routine 普通 表示常规流量
• 001 Priority 优先 表示需要优先处理数据包
• 010 Immediate 立即 需要立即处理的数据包
• 011 Flash 闪电 需要快速传输的数据包
• 100 Flash Override 闪电覆盖 覆盖闪电优先级的数据包
• 101 Critical/ECP 重要/应急控制优先 关键或应急控制流量数据包，优先级非常高
• 110 Internetwork Control 网络控制 网络间控制信息，优先级极高，通常用于路由协议数据包
• 111 Network Control 网络控制 用于网络间控制的信息，优先级最高，通常用于关键的网络管理和控制数据包

这些优先级允许在网络设备资源优先的情况下，根据数据包的重要性进行流量管理和排队，从而优化网络性能和可靠性。

TOS字段定义服务的值：

• 1000 Minimize delay 最小化延迟
• 0100 Maximize throughput 最大化吞吐
• 0010 Maximize reliability 最大化稳定性
• 0001 Minimize monetary cost 最小货币成本
• 0000 Normal service 普通服务

Fragment Offset字段被用来协助聚合全部数据报，其值表示在前一个分片中数据部分的位置，单位是8字节。比如MTU为1500，要发送2000字节的数据，就会产生两个分片：

• 第一个分片首部长度为20字节，数据部分为1480字节，DF=0 表示分片传输，MF=1表示会有更多分片，Offset为0
• 第二个分片首部长度为20字节，数据部分为2000-1480=520个字节，DF=0, MF=0表示是最后一个分片，Offset为1480/8=160

Time to Live（TTL）定义数据报被允许在网络上传输的时间，以秒为单位，取值范围为0到255。每个路由器理论上需要把这个值减去它处理数据报的时间，实际上因为每个路由器处理数据报的时间都小于1秒，所以路由器每次都会对TTL值减去1秒，TTL就变成了传输跳数的指标而不是时间指标。当TTL值达到0的时候，路由器就会认为数据报在环路中循环传输并且会丢弃它。ICMP协议的部分工具利用了这个特性，比如ping和traceroute。

Protocol Number（协议编号）表示发送数据报的上层协议，它包括以下取值：

• 0 Reserved 保留
• 1 Internet Control Message Protocol(ICMP)互联网控制消息协议
• 2 Internet Group Managment(IGMP) 互联网组管理协议
• 3 Gateway-to-Gateway Protocol(GGP) 网关对网关协议
• 4 IP(IP encapsulation) IP封装
• 5 Stream 流
• 6 Transmission Control Protocol(TCP) TCP协议
• 8 Exterior Gateway Protocol(EGP) 外部网关协议
• 9 Interior Gateway Protocol(IGP) 内部网关协议
• 17 User Datagram Protocol(UDP) UDP协议
• 41 Simple Internet Protocol(SIP) 简单互联网协议
• 50 Encapsulating Security Payload(ESP) 封装安全载荷，IPSEC协议套件之一
• 51 Authentication Header(AH) 认证首部，IPSEC协议套件之一
• 89 Open Shortest Path First(OSPT) IGP 最短路径优先内部网关协议

IP Option有两种格式，两种格式的类型字节格式相同：

• 只有一个类型字节
• 包含一个类型字节，一个长度字节，还有长度-2个数据字节

IP Option中Class取值如下：

• 0 控制
• 1 保留
• 3 调试和测量
• 3 保留

IP Option中选项编号取值如下：

• 0 End of Option， Option结束 fc=0, class=0
• 1 No Operation，没有操作 fc=0, class=0
• 2 Security，安全 fc=1, class=0 数据长度11，数据部分为8字节，这是美国国防部要求的安全信息
• 3 Loose source routing，松散源路由 fc=1, class=0 有变长数据字段
• 4 Internet timestamp 互联网时间戳 fc=0, class=2 有变长数据字段，最大40个字节
• 7 Record route 记录路由 fc=0, class=0 有变长数据字段
• 8 Stream ID 流编号 fc=1, class=0 长度为4，数据字段为一个字节
• 9 Strict source routing 严格源路由 fc=1, class=0 有变长数据字段

Padding的作用是当存在IP Option时，因为数据长度可变，可能会导致IP数据报首部不是4字节(32个比特位)的整数倍，所以需要使用Padding来填充0让它满足4字节整数倍。

IP分段

当IP数据报从一个主机送到另一个主机的时候，它会经过不同的物理网络。每个物理网络都有最大帧限制，叫做Maximum Transmission Unit(MTU)，它限制了可以一个物理帧中可以存放的IP数据报的长度。当数据报文长度超过MTU时进程就要通过创建一系列小于MTU的数据报来分段。接收方聚合产生原始数据报。IP协议要求数据链路层支持最小MTU为68个字节，这是最大IP首部60字节和最小数据长度8个字节之和。如果网络的MTU比这个值小，在网卡层必须支持分段和聚合，并且这个过程要对IP层透明。IP协议不要求处理超过576字节的未分段数据报，但是实际上很多实现都支持更大的值。

未分段数据报中的所有分段信息字段值都为0，也就是MF=0, Offset=0。

IP分段步骤如下：

• 检查DF标志，如果为1则不允许分段，丢掉数据报并且返回ICMP错误消息
• 根据MTU值，将数据报中的数据拆分成多个数据部分，除了最后一个部分，其它部分必须是8字节的倍数
• 每个数据部分都放入到IP数据报中，每个数据报的首部从原始数据报中拷贝并做相应的修改：
  • 除了最后一个分段外其它分段MF设置成1
  • 根据分段数据起始字节在原始数据中的位置计算Fragment Offset值，单位是8字节
  • 根据IP Option信息第一个类型字节中fc的值决定是否拷贝原始IP Option信息到分段中
  • 重置IP数据报中的首部长度
  • 重置IP数据报中的总长度
  • 重新计算IP数据报的Checksum
• 把所有分段数据报像普通IP数据报一样发送出去，IP层对每个数据报都独立处理，这些分段数据报可以经过不同的路由器到达目的地。通过更小的MTU网络时，它们有可能被继续分段。

在接收端，主机通过IP数据报的ID字段将分段数据报重组成原始数据报。当第一个数据分段到达时接收主机会分配一块缓冲区，接收主机会设置一个定时器，当后续数据报分段到达时，它们的数据将会根据偏移量Offset被拷贝到缓冲区的指定位置，当所有数据分段都到达时，原始未分段数据报就重组成功了。主机会把数据报当作未分段的来交给上层应用程序处理。

如果定时器超时，数据报会被丢弃。定时器初始值为IP数据报中的TTL值。

IP路由选项

IP数据报选项中提供了两个让数据发送方显式提供路由信息的方法，它也提供了一种让IP数据报获取它经过的路由的方法。

1. Loose Source Routing（LSR 松散源路由）

   允许数据包在通过指定路由器（节点）之间可以经过其他任意的路由器

   适用于希望数据包通过特定的关键节点，但不要求严格的路径控制的场景

2. Strict Source Routing（SSR 严格源路由）

   要求数据包严格按照指定的路由器顺序传输，不允许在指定路由器之间经过其他任何路由器

   适用于对数据包传输路径有严格要求的场景，需要完全按照指定的路由器顺序传输数据

这两种源路由技术在一些特定的网络调试、管理和控制场景中可能会用到，但在现代网络中使用较少，特别是在 IPv6 环境中，这些选项已经被弃用。

3. Record Route

   这个选项提供了让IP数据报记录自己经过的路由器的，它提供了一个空的路由数据字段。当数据报经过路由器时，这个字段会被填充，原始数据报必须提供足够的数据空间来记录这些路由信息，如果在到达目的地址前数据字段填满了，后续的路由信息将不会被记录。

参考文档

• IPV4数据报格式
• IPV4服务类型TOS
• ChatGPT