IP協議（網路層協議）

1 IP協議功能

• 定址和路由
• 傳遞服務
  
  • 不可靠，可靠性由上層協議提供
  • 無連線
• 資料包分段和重組

2 IP協議

IP資料包格式

其中固定部分為20byte，可變部分最大為40byte，因此IP資料包的首部大小為20~60byte。

版本

• 佔4bit，指IP協議的版本。目前的IP協議版本號為4，即IPv4

首部長度

• 佔4bit，可表示的最大數值是15個單位（一個單位為4位元組），因此IP首部長度的最大值是60位元組

服務型別

• 指示期望獲得哪種型別的服務
• 1998 年這個欄位改名為區分服務
• 只有在網路提供區分服務(DiffServ)時使用
• 一般情況下不使用，通常IP分組的該欄位(第2位元組)的值為00H
• 佔8bit，用來獲得更好的服務，這個欄位以前一致沒有被人使用。其中D表示延時，T表示吞吐量，R表示可靠性，C表示代價。最後一位沒有使用，但是必須為０，否則非法
• 現在常用的為差分服務，最後兩位未使用。如果前6位為XXXXX0的形式表示該IP資料包由因特網指派，為XXXX11表示由本地指派，為XXXX01表示臨時或實驗性的IP資料包

總長度

• 佔16bit，指首部和資料之和的長度，單位為位元組。因此資料包的最大長度為65535位元組，總長度必須不超過最大傳送單元MTU
• 最小的IP分組首部： 20B
• IP分組可以封裝的最大資料： 65535-20=65515B

標識

• identification佔16bit，它是一個計數器，用來產生資料包的標識止
• 只有當同一個資料段被分成不同的IP資料包，其標識才相同

標誌

• 佔3bit，目前只有後兩個位元有意義
• 標誌欄位的最低位是MF（More Fragment），MF=1表示後面還有分片，MF=0表示最後一個分片
• 標誌欄位中間的一位是DF（Don’t Fragment），只有當DF=0時才允許分片
• 最高位保留

片偏移

• 13bit，片偏移指出較長的分組分片後某片在原分組中的相對位置，偏移以8個位元組為偏移單位

生存時間

• 8bit，記為TTL（Time To Live），IP分組在網路中可以通過的路由器數（或跳步數）。這是為了限制資料包在網路中的生存時間，其單位最初是秒，但為了方便，現在都用“跳數”作為TTL的單位。資料包每經過一個路由器，其TTL值就減1
• 如果TTL=0，路由器則丟棄該IP分組

協議

• 協議（8bit）欄位指出此資料包攜帶的資料使用何種協議，以便目的主機的IP層將資料包部分上交給哪個處理過程
• 指示IP分組封裝的是哪個協議的資料包
• 實現複用/分解
• E.g. 6為TCP，表示封裝的為TCP段； 17為UDP， 表示封裝的是UDP資料包

首部校驗和

• 首部校驗和（16bit）欄位只校驗資料包的首部，不包括資料部分。這裡不採用CRC檢驗碼而採用簡單的計算方法
• 實現對IP分組首部的差錯檢測
• 計算校驗和時，該欄位置全0
• 採用反碼算數運算求和，和的反碼作為首部校驗和欄位
• 逐跳計算、逐跳校驗

源地址、目的地址

• 源地址和目的地址都各佔4個位元組
• 分別標識傳送分組的源主機/路由器(網路介面)和接收分組的目的主機/路由器（網路介面）的IP地址

IP資料包首部的可變部分

• IP首部的可變部分就是一個選項欄位，欄位佔長度可變，範圍在1~40B之間：攜帶安全、源選路徑、時間戳和路由記錄等內容，用來支援排錯、測量以及安全等措施，內容很豐富
• 選項欄位的長度可變，取決於所選擇的專案
• 增加首部的可變部分是為了增加IP資料包的功能，但這同時也使得IP資料包的首部長度稱為可變的。這就增加了每一個路由器處理資料包的開銷
• 實際上這些選項很少使用

填充欄位

• 填充欄位佔長度可變，範圍在0~3B之間：目的是補齊整個首部，符合32位對齊，即保證首部長度是4位元組的倍數

3 IP分片

3.1 最大傳輸單元(MTU)

• 網路鏈路存在MTU (最大傳輸單元)—鏈路層資料幀可封裝資料的上限
  
  • 不同鏈路的MTU不同

3.2 IP分片與重組

• 大IP分組向較小MTU鏈路轉發時， 可以被“分片” (fragmented)

  • 1個IP分組分為多片IP分組
  • IP分片到達目的主機後進行“重組”(reassembled)

• IP首部的相關欄位用於標識分片以及確定分片的相對順序

  • 總長度、標識、標誌位和片偏移

3.3 分片相關的欄位

• 標識欄位佔16位：標識一個IP分組

  • IP協議利用一個計數器，每產生IP分組計數器加1，作為該IP分組的標識

• 標誌位欄位佔3位：

  • DF (Don’t Fragment)
  • DF =1：禁止分片

  • DF =0：允許分片

  • MF (More Fragment)

  • MF =1：非最後一片
  • MF =0：最後一片(或未分片)

• 片偏移欄位佔13位：一個IP分組分片封裝原IP分組資料的相對偏移量
  
  • 片偏移欄位以8位元組為單位

3.4 IP分片過程

• 假設原IP分組總長度為L，待轉發鏈路的MTU為M
• 若L>M，且DF=0，則可以/需要分片
• 分片時每個分片的標識複製原IP分組的標識
• 通常分片時，除最後一個分片，其他分片均分為MTU允許的最大分片

• 一個最大分片可封裝的資料應該是8的倍數， 因此， 一個最大分片可封裝的資料為：

  

• 需要的總片數為：

  

• 每片的片偏移欄位取值為：

  

• 每片的總長度欄位為：

  

• 每片的MF標誌位為：

  

舉例：