IPV4首部

通过 IP 进行通信时，需要在数据的前面加入 IP 首部信息。IP 首部包含 IP 进行发包控制时所需的必要信息。

IP 首部结构如下，了解 IP 首部的详细信息即可对 IP 所具有的功能有一个详细的把握。

1_版本（Version）

版本由 4 位构成，表示 IP 首部的版本号。IPV4 的版本号为 4，因此在这个字段上的值是“4”。

此外，关于 IP 的所有版本号在下表中列出：

版本号	简称	协议
4	IP	Internet Protocol
5	ST	ST Datagram Mode
6	IPv6	Internet Protocl version 6
7	TP/LX	TP/IX: The Next Internet
8	PIP	The P Internet Protocol
9	TUBA	TUBA

关于 IP 版本号：

关于 IPV4 的下一个版本是 IPV6。为什么要从版本 4 直接跳到版本 6 呢？

这里需要提到的是，IP 版本号的含义与普通软件的版本号有所区别。普通软件的版本号会随着更新逐渐增大，最新版本号即为最大号码。这要基于每款软件都由特定的软件公司或团体进行开发才能实现。

而在互联网中，为了让 IP 更完善，有众多机构致力于它的规范化。机构为了能够验证相应的 IP，他们会按照顺序分配具体的版本号。

一向重视实践的互联网，在遇到好的提案时，不能纸上谈兵，还需要反复实验。为此，对于那些还未正式使用的版本号就会被标上号码，进而在实验的过程中选择一个最佳的产物进行标准化。

IPv6 正是经历了这些过程之后才成为 IPv4 的下一代 IP。因此，IP 版本号的大小本身并没有什么意义。

2_首部长度（IHL：Internet Header Length）

首部长度由 4 位构成，表明 IP 首部的大小，单位为 4 字节（32位）。

对于没有可选项的 IP 包，首部长度设置为“5”。

也就是说，当没有可选项时，IP 首部的长度为 20 字节（4 * 5 = 20）。

3_DSCP和ECN字段

DSCP（Differentiated Services Code Point，差分服务代码点）是 TOS（Type Of Service）的一部分（如下图）。

DSCP 用于进行称为 DiffServ 的质量控制。

如果 3~5 位的值为 0，0 ~ 2 位则被称作类别选择代码点。这样就可以像 TOS 的优先度那样提供 8 种质量控制级别。

对于每种级别所采取的措施由使用 DiffServ 的管理员制定。为了与 TOS 保持一致，值越大优先度越高。如果第 5 位为 1，表示实验或本地使用的意思。

ECN（Explicit Congestion Notification，显式拥塞通告）用来报告网络拥塞情况，由 2 位构成，每一位的具体含义如下表所示：

位	简称	含义
6	ECT	ECN-Capable Transport
7	CE	Congestion Experienced

第 6 位的 ECT 用以通告传输层协议是否处理 ECN。当路由器在转发 ECN 为 1 的包时，如果出现网络拥塞的情况，就将 CE 的位置设置为 1。

4_服务类型（TOS: Type Of Service）

DSCP 字段和 ECN 字段所占的 8 位在早期的 IP 首部中叫作服务类型字段。

服务类型字段由 8 位构成，用来表明服务质量。每一位的具体含义如下表。

位	含义
0 1 2	优先度
3	最低延迟
4	最大吞吐
5	最大可靠性
6	最小代价
（3~6）	最大安全
7	未定义

不过，因为要按照要求在该字段中发送数据，相应的控制机制会异常复杂，或是一但设置错误，就没有实际效果了等原因，所以 TOS 字段难以投入使用。

因此，普遍是将 TOS 字段划分为 DSCP 和 ECN 这两个字段使用。

5_总长度（Total Length）

总长度表示 IP 首部与数据合起来的总字节。该字段长 16 位。因此 IP 包的最大长度为 65535（$2^{16}-1=65535$）字节。

但是，目前几乎不存在能够传输最大长度为 65535 字节的 IP 包的数据链路。

不过，由于有 IP 分片处理，因此从 IP 的上层看，不论底层采用何种数据链路，都认为能够以 IP 包的最大长度传输数据。

6_标识（ID: Identification）

标识由 16 位构成，用于分片重组。同一分片的标识值相同，不同分片的标识值不同。

通常，发送 IP 包时，它的值呈递增趋势。此外，即使 ID 相同，如果目标地址、源地址或协议不同，也会被认为是不同的分片。

7_标志（Flags）

标志由 3 位构成，表示包被分片的相关信息。每一位的具体含义如下表所示：

位	含义
0	未使用，现在必须是 0
1	表示是否进行分片（don’t fragment）0 - 可以分片1 - 不能分片
2	包被分片的情况下，表示是否为最后一个包（more fragment）0 - 最后一个分片的包1 - 分片中段的包

8_片偏移（FO: Fragment Offset）

片偏移由 13 位构成，用来标识每个分片相对于原始数据的位置。

第一个分片对应的值为 0。由于 FO 字段占 13 位，因此可以最多表示 8192（$2^{13}=8192$）个相对位置。

片偏移的单位为 8 位（即 1 字节），所以最大可以表示原始数据的第 $8\ast (8192-1)=65528$ 字节的位置。

9_存活时间（TTL: Time to Live）

存活时间由 8 位构成，它最初的意思是以秒为单位记录当前包在网络中存活的期限。

然而，在实际中，它是可以中转多少个路由器的意思。

每经过一个路由器，TTL 减少 1，直到变成 0 则丢弃该包。

10_协议（Protocol）

协议由 8 位构成，表示紧随 IP 首部之后的下一个首部所属的协议。目前经常使用的协议如表所示：

协议编号	简称	协议名称
0	HOPOPT	IPv6 Hop-by-Hop Option
1	ICMP	Internet Control Message Protocol (ICMP)
2	IGMP	Internet Group Management Protocol
4	IP	IP encapsulation（IP in IP）
6	TCP	Transmission Control Protocol
8	EGP	Exterior Gateway Protocol
9	IGP	any private Interior Gateway (私有/实验 Cisco IGRP)
17	UDP	User Datagram Protocol
41	IPv6	IPv6 Protocol Version 6
43	IPv6-Route	Routing Header for IPv6
44	IPv6-Frag	Fragment Header for IPv6
46	RSVP	Resource Reservation Protocol
47	GRE	Generic Routing Encapsulation
50	ESP	Encap Security Payload
51	AH	Authentication Header
58	IPv6-ICMP	ICMP for IPv6
59	IPv6-NoNext	No Next Header for IPv6
60	IPv6-Opts	Destination Options for IPv6
88	EIGRP	Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (Cisco)
89	OSPF	Open Shortest Path First
115	L2TP	Layer Two Tunneling Protocol
124	ISIS over IPv4	ISIS over IPv4
132	SCTP	Stream Control Transmission Protocol
135	Mobility Header（IPv6）	Mobility Header（IPv6）
136	UDPLite	UDP-Lite

11_首部校验和（Header Checksum）

首部校验和由 16 位（2字节）构成，也叫 IP 首部校验和。该字段只校验数据报的首部，不校验数据部分。它主要用来确保 IP 首部不被破坏。

校验和的计算过程如下：

1. 首先，将校验和字段的所有位设置为 0。
2. 其次，以 16 位为单位划分 IP 首部，并用 1 补码计算所有位置的和。
3. 最后，将所得到的和的 1 补码赋给首部校验和字段。

12_源地址（Source Address）

源地址由 32 位（4 字节）构成，表示发送端 IP 地址。

13_目标地址（Destination Address）

目标地址由 32 位（4 字节）构成，表示接收端 IP 地址。

14_可选项（Options）

可选项长度可变，通常只在进行实验或诊断时使用。该字段包含如下几点信息：

• 安全级别
• 源路径
• 路径记录
• 时间戳

一个数据报中可以有零个或多个可选项。可选项的格式有两种情况：

• 情况 1：单字节选项（仅 1 Byte），这种情况没有后续长度字段，也没有数据字段。仅用于填充对齐或表示结束。
• 格式：| Option Type (8 bits) |
• 例：End of Option List (EOL, 类型=0)、No Operation (NOP, 类型=1)。
• 情况 2：多字节选项（≥ 2 Bytes）
• 格式：| Option Type (8 bits) | Option Length (8 bits) | Option Data (可变长) |
• 例：Record Route (RR, 类型=7)、Timestamp (TS, 类型=68)、Loose Source Route (LSRR, 类型=131)、Strict Source Route (SSRR, 类型=137)

Option Type 的细分结构：

• | Copied flag (1 bit) | Option class (2 bits) | Option number (5 bits) |
• 1 位复制标志：0 = 未复制、1 = 已复制。
• 2 位选项类：0 = 控制、1 = 保留以备将来使用、2 = 调试和测量、3 = 保留以备将来使用。
• 5 位选项号。

15_填充（Padding）

在有可选项的情况下，首部长度可能不是 32 位的整数倍。为此，通过向字段填充 0，调整为 32 位的整数倍。

16_数据（Data）

存入数据。将 IP 上层协议的首部作为数据进行处理。