计算机网络：网络层 – IPv4数据报 & ICMP协议

计算机网络：网络层 – IPv4数据报 & ICMP协议

• • IPv4数据报
  • • [版本 : 首部长度 : 区分服务 : 总长度]
    • [标识 : 标志 : 片偏移]
    • [生存时间 : 协议 : 首部检验和]
    • [可变部分 : 填充字段]
  • ICMP协议

IPv4数据报

一个IPv4数据报，由首部和数据两部分组成：

而首部又分为两部分：

上图中，首部又分为固定部分和可变部分，固定部分的长度为20 byte，而可变部分的长度在0 byte到40 byte之间。每一行占32 bit也就是4 byte。接下来就讲解这个首部各个字段的含义。

[版本 : 首部长度 : 区分服务 : 总长度]

• 版本

占4 bit，表示该IP数据报使用的版本，目前广泛使用的IP协议版本号为4。

• 首部长度

由于可变部分的存在，IPv4数据报的首部长度是不确定的，所以需要额外的字段来标识整个首部的长度。首部长度占4 bit，4 bit可以表示的最大数字为二进制1111，也就是15。但是IPv4数据报的最大长度为60 byte，这是4 bit好像不够用啊。

其实首部长度字段的值，是以4 byte为单位的，也就是说如果首部长度的值为15，表示有15 * 4 = 60 byte，这样4 bit刚好可以表示最大的首部长度。另外的，由于首部长度单位的限制，所以IPv4数据报首部的长度必须为四字节的整数倍。

• 区分服务

占8 bit，用于提供不同等级的服务，也就是说IPv4数据报的服务分了多个等级，可以通过该字段来选择不同等级。大部分情况下不使用这个字段。

• 总长度

占16 bit，指明首部和数据部分的总长度，单位为byte。由于只占16 bit，所以整个IPv4数据报总长度不超过665535 byte。当然一般来数据报的长度是数据链路层的MTU限制的。

[标识 : 标志 : 片偏移]

那么一个数据报的内容超过了MTU该怎么办？此时就要进行分片操作，将一个数据报分为多个小份的数据报。

假设现在有一个长度为3820 byte的数据报，首部长度为20 byte，现在MTU限制为1420 byte，那么我们就要把这个3820 byte的打数据报分片为多个小的数据报。

如下图：

我们把这个数据报分片为了三个小数据报，第一个数据报的长度为20 + 1400，第二个数据报的长度为20 + 1400，第三个数据报的长度为20 + 1000，其中20表示每个分片后数据报的首部。而分片的规则为：优先填满前面的数据报，而不是将数据平均分配到每个数据报中。

将一个数据报分片后，会产生以下问题：

1. 接收方如何知道这些分片后数据报来源于同一个数据报
2. 接收方如何知道自己是否收到了所有分片
3. 接收方如何知道这些分片的顺序

IPv4数据报首部中的第二行字段，就是用来解决分片的问题的：

• 标识

占16 bit，这是一个计数器，用于区分不同的数据报，或者辨别相同的数据报。

比如说发送方前一个发送的数据报的标识 = 12345的数据报，那么发送方发送的下一个数据报的标识就应该是12345 + 1 = 12346。这样接收方就可以辨别出这是两个不同的数据报。

但是如果把一个数据报分片为多个数据报，那么分片出来的所有数据报，共用一个标识字段。此时接收方收到多个分片后，就可以判断出来这些分片原本属于同一个数据报。

• 片偏移

占13 bit，其用于指出一个数据报在分片后再原数据报中的相对位置。片偏移以8 byte为单位。

比如刚才的案例中：

对于分片1，其第一个字节为0，片偏移 = 0 / 8 = 0；
对于分片2，其第一个字节为1400，片偏移 = 1400 / 8 = 175；
对于分片3，其第一个字节为1800，片偏移 = 2800 / 8 = 350；

由于片偏移只能是整数，所以数据报总长度必须是8 byte的整数倍！

• 标志

占3 bit，三个比特位单独解析，从低位到高位分别是MF位，DF位，和保留位。其中保留位是保留给以后使用的，目前没有意义，保留位必须为0。

MF(More Fragment)位，用于表示该数据报后面还有没有分片。一个数据报被分片后，除去最后一个分片外，所有的分片的MF = 1，表示这个分片后还有分片；而最后一个分片的MF = 0，表示该分片已经是最后一个分片了。

MF位结合片偏移，可以用于确认是否接收到了所有的分片。当接收方接收到了MF = 0
的分片，就说明已经收到了末尾的分片，随后获取该分片的片偏移从而得知前面总共有多少数据，再检测自己之前收到的数据，就可以知道自己是否受到了所有分片了。

DF(Don't Fragment )位，该位表示一个数据报是否允许分片，如果DF = 0表示允许分片，如果DF = 1表示不允许分片。

=如果一个数据报的长度超过了MTU，并且DF = 1不允许分片，此时会直接丢弃这个数据报，并向上层发送错误信息，表示该数据报不能传递。

再回到这个案例：

接下来我画一个表格，表示这三个分片的各字段值，假设分片前标识 = 12345：

[生存时间 : 协议 : 首部检验和]

• 生存时间

占8 bit，又叫做TTL(Time TO Live)，该字段由源主机设置，路由器每次转发时TTL要减一。当TTL = 0时，路由器不再转发该报文，而是将其丢弃，即生存时间到期了。

• 协议

占b bit，用于表示数据部分的内容使用了何种协议，常见协议字段取值如下：

• 首部检验和

占16 bit，用于检验数据报的首部是否发生错误，注意只检验首部，不会检验数据部分。

以下是计算 IP 数据报首部校验和的步骤：

1. 将首部所有字段视为 16 位字，并进行二进制求和（简单来说就是把首部看为16比特一组）
2. 对求和结果进行进位运算
3. 对求和结果进行按位取反

举例：

假设一个 IP 数据报的首部如下：

注意：上表中的首部检验和值是固定的，因为目前还在计算首部检验和，该字段在计算前视为0。

1. 将首部所有字段视为 16 位字，并进行二进制求和：

0100 0101 0000 0000 [版本+首部长度+服务类型]
0000 0000 0110 0100 [总长度]
0000 0100 1011 0110 [标识]
0000 0000 0000 0000 [标志+片偏移]
0000 1000 0000 0110 [生存时间+协议]
0000 0000 0000 0000 [首部检验和]
1100 0000 1010 1000 [源地址前16位]
0000 0001 0000 0001 [源地址后16位]
0000 1010 0000 0000 [目的地址前16位]
0000 0000 0000 0001 [目的地址后16位]

对以上所有数进行加法运算得到：

0001 0001 1101 1100 1010

可以看到，我们原先的所有数都是16位，这里变成了17位，即发生了进位，此时就要进行第二步进位运算。

2. 对求和结果进行进位运算：

0001 0001 1101 1100 1010

拆出后16位：0001 1101 1100 1010，多出的位是0001，也就是1。对于进位，我们的处理方式为：将其重新加到后16位中。

也就是：

0001 1101 1100 1010
+
0000 0000 0000 0001

结果为：

0001 1101 1100 1011

注意：该部分在第二次计算后，有可能还会发生进位，此时要重复该过程，直到没有进位。

3. 对求和结果进行按位取反：

最后把结果取反：

1110 0010 0011 0100

这个值就是首部检验和。

接收方接收到数据报后，只需要以相同的方式进行计算，如果结算结果为0，说明首部没有发生错误。如果为非0，说明发生了错误，丢弃该报文。

流程图如下：

剩下的目的地址，源地址很好理解，不做讲解。

[可变部分 : 填充字段]

可选字段用来填入一些选项，可以用来支排错，测量等各种安全措施，但是实际上很少被使用。我们不过多讲解该字段。

对于填充，这是因为可选字段的长度不确定，而数据报的首部长度必须是4 byte的整数倍，这个填充字段，就是为了把可选字段填充到4 byte的整数倍的。

ICMP协议

ICMP（Internet Control Message Protocol，互联网控制报文协议）是 TCP/IP 协议族中的一个重要组成部分，它负责在网络设备之间传递控制信息，例如错误报告、状态信息等。

ICMP报文被封装在IP数据报的数据部分，但是其是属于IP层的协议，而不是高层协议

ICMP报文格式：

而第二行这个区域，会根据不同类型的报文，而有不同的格式。

ICMP报文主要分为两类：ICMP 差错报告 和 ICMP 询问报文

而这两个类型又被细分为更多的类型，在此我举例一部分：

• 终点不可达：当主机或路由器不能交付数据报时，就向源点发送终点不可达报文，再根据代码字段来描述更加具体的原因。

以上示例中，路由器R1受到数据报后，不知道如何转发，于是丢弃数据报，发送终点不可达。

• 源点抑制：当主机或路由器因为阻塞而丢弃数据报时，就向源点发送源点抑制报文

以上示例中，主机H2发送拥塞，丢弃报文后向源点发送源点抑制报文

• 时间超过：当IP数据报中的RTT减为0时，丢弃该数据报，向源点发送时间超过报文

以上示例中，数据报在经过R2时RTT = 0，，丢弃该数据报，向源点发送时间超过报文

• 参数问题：当主机或路由接收到IP数据报后，会检测其中的校验和字段，如果发现错误，就丢弃该报文，并向源点发送参数问题报文

以上示例中，当路由器R1收到IP数据报后，检测其中的校验和字段，如果发现首部出现错误，就丢弃该报文，并向源点发送参数问题报文

• 改变路由：当主机或路由收到数据报后，发现可以通过更好的路线传送，就丢弃该报文，并向源点发送改变路由报文

以上示例中，当路由器R1收到IP数据报后，发现可以通过R4更快传送，就丢弃该报文，并向源点发送改变路由报文。

以上只是一部分示例，以上全部示例中，各个类型的ICMP 差错报告报文对应的类型字段的值如下：

对于ICMP 询问报文，也有部分类型字段取值：

对于询问报文，就不再举例了。

讲完了ICMP的首部，再来看看ICMP的数据部分，其实ICMP差错报告报文的数据部分格式也是固定的。

格式如下：

取出IP数据报的首部，以及数据部分的前八个字节，构成ICMP的数据部分。

主要是要在ICMP报文中体现一些重要信息，以便源点分析具体原因。而大部分重要信息都在首部中，所以存储了IP数据报的首部。另外的IP数据报的数据部分的前八个字节，还包含一些运输层端口相关信息，也被纳入ICMP的数据部分。