IP网络层

一、IP网络层概述

在TCP/IP协议的Internet中，网络层由IP协议实现：

1. everything is over IP
2. IP is over everything

IP网络是数据报网络：

1. 无连接
2. 简单网络，终端复杂（可靠性实现在TCP）

IP网络层核心功能还是网络层的基本功能：抓发，路由

IP协议的配套协议：

1. ICMP协议（Internet Control Message Protocol），一般用于差错报告等，它最终会使用IP协议
2. ARP协议（Address Resolution Protocol），地址解析协议，用于查找硬件的物理地址（链路层Mac地址），IP协议会使用它
3. 路由协议（RIP、OSPF、BGP等），路由协议最终会填充转发表（路由表）

二、IP数据报格式

2.1 抓包

2.2 格式

首部字段：只有4位，最大值为15，所以是不够标识首部长度的，最终这个字段以4字节为单位。抓包中为5，实际为5*4为20字节。

服务类型字段：在1998年被修改为区分服务，抓包里面的Differentiated Service Field字段，一般性情况下不使用。

总长度：16比特，最大可以65535，表示IP数据报的总长度可以达到65535字节，但是实际一般最大为1500字节，因为下层链路层的MTU一般为1500字节。

生存时间(TTL) : time to live，寿命，用于确保数据报不会永远在网络中传播，每经过一个路由器，ttl减一，当TTL为0时，这个数据报会被丢弃。

标识、标志物、片偏移，这三个字段为IP数据报分片使用。

源IP地址，目的IP地址：各32位。

选项字段：一般不用

填充：当有选项字段，但是不足32位时用于补齐32位用。

由上面分析看到，一个IP数据报其IP头部长度一般为20字节。

数据部分：为TCP报文，其中TCP的头部长度一般也为20字节

最终可以得出，一个IP数据报，其有固定的头部开销40字节。

二、IP数据报分片

IP数据报最终要经过链路层进行传递，每次所能传递的数据大小取决取决于链路层的最大传输单元，英文名字叫做MTU（Maximum Transmission Unit）。比如目前主流的局域网技术以太网的MTU是1500字节。

问题：当上游IP数据报的数据长度大于下游链路层的MTU时候怎么办？

类比：IP数据报类似于一车沙子（1000KG），到了河边以后需要用船运输过河（船类似于链路层），但是船一次只能运输100KG（类似于MTU），这个就很好解决了，把沙子拆分成10份，分10次让船运输过去，等十分沙子都全部传输到河对岸后，再重新组装成一车即可。。IP数据报超过MTU后的处理办法也是类似的，也是对IP数据报进行分片，最终全部传输完毕后在进行组合。

分片示意图

分片相关的字段

在IP数据报的格式中"标识"、“标志位”、“片偏移”这三个字段用于专门处理IP数据报分片的case。

标识（Identification）：是IP软件在存储器中的一个计数器，每生成一个IP数据报，这个计数器就+1。当IP数据报的长度大于MTU需要分片时候，被拆分的IP数据报的标识字段都被赋值为原有IP数据报的标识的值，这样这些分片就拥有了相同的标识，最终传输完毕后相同的标识用于正确的组装在一起。

标志位（Flags）：

1. DF字段（Don't fragment）：0/1。DF=1，表示不能分片，此时如果IP数据报的长度大于MTU，路由器直接丢弃。DF=0，表示可以分片。
2. MF字段（More fragment）：0/1。MF=1标识后面还有分片。MF=0表示是最后一个分片或者没有分片。

片偏移（Fragment Offset）：分片的偏移量，分片在原数据报里面的相对偏移量，以8字节为单位。例子（谢希仁-计算机网络）

以上是IPv4的分片相关的说明，实际的网络传输中很少分片，在TCP的MSS会控制大小，一般不会超过MTU。

分片的组装在端系统中进行，路由器不就行组装。

三、IP地址编制

IP地址用于标记主机和路由器的接口，IP地址和接口关联，不是标记主机本身。

IP地址

32位，点分10机制标识。192.168.11.25

格式：

1. 网络号（NetId）
2. 子网号（SubId）
3. 主机号（HostId）

子网掩码：相应IP地址除了主机号以外全部为1。和对应IP地址按位取add，即可得到网络号和子网号。最终用于路由。

无类域间路由CIDR（Classless InterDomain Routing）

a.b.c.d/x。x为前缀长度，系统前缀的网络代表一个子网。

1. 方便子网划分
2. 减少路由表的大小，进行路由聚合