协议头详解一：IP及IP分片



写在前面

        I P是T C P / I P协议族中最为核心的协议。所有的 T C P、U D P、I C M P及I G M P数据都以I P数据 报格式传输 。许多刚开始接触 T C P / I P的人对 I P 提供不可靠、无连接的数据报传送服务感到很奇怪，特别是那些有 X . 2 5或S N A背景知识的人。

        不可靠（ u n r e l i a b l e）的意思是它不能保证 I P 数据报能成功地到达目的地。 I P仅提供最好 的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区， I P 有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送 I C M P消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如T C P）。 

        无连接（ c o n n e c t i o n l e s s）这个术语的意思是 I P并不维护任何关于后续数据报的状态信息。 每个数据报的处理是相互独立的。这也说明， I P 数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是 A，然后是 B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此 B可能在A到达之前先到达。

IP首部

       IP数据报的格式如下图所示。普通的IP首部长为20个字节，除非含有选项字段。

IP首部格式及各个字段

分析图中的首部。

        最高位在左边，记为 0 bit ；最低位在右边，记为 31 bit。4个字节的32 bit 值以下面的次序传输：首先是 0～7 bit ，其次8～15 bit ，然后1 6～23 bit，最后是24~31 bit。这种传输次序称作 big endian字节序。由于 T C P / I P首部中所有的二进制整数在网络中传输时都要求以这种次序，因此它又称作网络字节序。以其他形式存储二进制整数的机器，如 little endian 格式，则必须在传输数据之前把首部转换成网络字节序。 

目前的协议版本号是 4，因此I P有时也称作 I P v 4。

首部长度指的是首部占 32 bit 字的数目，包括任何选项。由于它是一个 4比特字段，因此首部最长为6 0个字节。普通 I P 数据报（没有任何选择项）字段的值是 5。 

服务类型（ TO S）字段包括一个 3 bit 的优先权子字段（现在已被忽略） ，4 bit 的TO S子字段和1 bit 未用位但必须置 0。4 bit 的TO S分别代表：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。4 bit中只能置其中1 bit 。如果所有 4 bit 均为0，那么就意味着是一般服务。 RFC 1340[Reynolds and Postel 1992] 描述了所有的标准应用如何设置这些服务类型。 RFC 1349 

[Almquist 1992] 对该R F C进行了修正，更为详细地描述了 TO S的特性。

总长度字段是指整个 I P 数据报的长度，以字节为单位。利用首部长度字段和总长度字段，就可以知道 I P 数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长 1 6比特，所以 I P数据报最长可达 6 5 5 3 5 字节（回忆图 2 - 5 ，超级通道的 M T U为6 5 5 3 5 。它的意思其实不是一个真正的M T U—它使用了最长的 I P 数据报）。当数据报被分片时，该字段的值也随着变化。

标识字段唯一地标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加 1。

T T L（t i m e - t o - l i v e ）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间。T T L的初始值由源主机设置（通常为 3 2或6 4） ，一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去 1。当该字段的值为 0时，数据报就被丢弃，并发送 I C M P 报文通知源主机。

首部检验和字段是根据 I P首部计算的检验和码。它不对首部后面的数据进行计算。 I C M P、I G M P、U D P和T C P在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。为了计算一份数据报的 I P 检验和，首先把检验和字段置为 0。然后，对首部中每个 16 bit进行二进制反码求和（整个首部看成是由一串 16 bit 的字组成） ，结果存在检验和字段中。当收到一份 I P数据报后，同样对首部中每个 16 bit 进行二进制反码的求和。由于接收方在计算过程中包含了发送方存在首部中的检验和，因此，如果首部在传输过程中没有发生任何差错，那么接收方计算的结果应该为全 1。如果结果不是全 1（即检验和错误） ，那么I P就丢弃收到的 

数据报。但是不生成差错报文，由上层去发现丢失的数据报并进行重传。I C M P、I G M P、U D P和T C P都采用相同的检验和算法，尽管 T C P和U D P除了本身的首部和数据外，在 I P首部中还包含不同的字段。在 RFC 1071[Braden, Borman and Patridge 1988]中有关于如何计算 I n t e r n e t 检验和的实现技术。由于路由器经常只修改 T T L字段（减 1） ，因此当路由器转发一份报文时可以增加它的检验和，而不需要对 I P 整个首部进行重新计算。 R F C1141[Mallory and Kullberg 1990]为此给出了一个很有效的方法。

IP分片

        物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候I P层接收到一份要发送的 I P 数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路） ，并查询该接口获得其 M T U。I P把M T U与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

        把一份 I P数据报分片以后，只有到达目的地才进行重新组装（这里的重新组装与其他网络协议不同，它们要求在下一站就进行进行重新组装，而不是在最终的目的地） 。重新组装由目的端的 I P 层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对运输层（ T C P 和U D P）是透明的，除了某些可能的越级操作外。已经分片过的数据报有可能会再次进行分片（可能不止一次） 。I P 首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。

        回忆I P首部，下面这些字段用于分片过程。对于发送端发送的每份 I P数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值。该值在数据报分片时被复制到每个片中（我们现在已经看到这个字段的用途）。标志字段用其中一个比特来表示“更多的片”。除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把该比特置 1。片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。

        最后，标志字段中有一个比特称作“不分片”位。如果将这一比特置 1，I P将不对数据报进行分片。相反把数据报丢弃并发送一个 I C M P 差错报文（"需要进行分片但设置了不分片比特”)给起始端。

        当I P数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的 I P 首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是在 I P首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

        尽管I P 分片过程看起来是透明的，但有一点让人不想使用它：即使只丢失一片数据也要重传整个数据报。为什么会发生这种情况呢？因为 I P层本身没有超时重传的机制——由更高层来负责超时和重传（T C P有超时和重传机制，但 U D P没有。一些U D P应用程序本身也执行超时和重传） 。当来自T C P报文段的某一片丢失后， T C P在超时后会重发整个T C P报文段，该报文段对应于一份I P数据报。没有办法只重传数据报中的一个数据报片。事实上，如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端系统，那么起始端系统就无法知道数据报是如何被分片的。就这个原因，经常要避免分片。文献[Kent and Mogul 1987]对避免分片进行了论述。