IPv4首部和IP报文的分片重组

June 14, 2024

前言

在通过 IP 协议进行通信时，会在上层数据前，添加 IP 首部，包含了关于 IP 协议控制的各个信息。

由于受到数据链路层的 MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）的限制，IP 数据包是有最大的长度的。

本文简述 IPv4 首部字段含义以及 IP 报文的分片和重组。

IPv4 首部

版本（Version）

表示 IP 首部的版本号，由 4 bit 组成，一般都是 IPv4，版本四，所以为 0100。

首部长度（IHL，Internet Header Length）

表示 IP 首部的大小，由 4 bit 组成，其表示长度大小的单位为 4 字节，对于没有选项（Options）的 IP 报文而言，其长度是固定的 20 字节，20 / 4 = 5，所以首部长度一般都是 5，即 0101。

区分服务（Type Of Service）

用来表示服务的质量，由 8 bit 组成，用来表示优先度，延迟，吞吐，可靠性，由于 TOS 的实现控制非常复杂，导致其几乎没有被投入使用，后来 TOS 被拆分成两个段——DSCP（Differential Services Codepoint，差分服务代码点）以及ECN（Explicit Congestion Notification，显示拥塞通告）。

DSCP 用来进行质量控制，ECN 用来报告网络拥堵情况。

总长度（Total Length）

这里的长度，表示 IP 首部与上层数据合起来的总字节数。该字段长 16 bit，意味着 IP 数据包最大理论长度为 2 ^ 16 - 1 = 65535 字节。

但是实际上 IP 所依赖的下层的数据链路层是有 MTU，很少有超过 1500 字节的。

标识（ID，Identification）

用于分片重组，由 16 bit 组成，分片中用于确定哪些片属于同一个 IP 数据报。

标志（Flags）

用于分片重组，由 3 bit 组成。

第一个 bit 未使用，始终为 0。

第二个 bit 表示是否进行分片（DF，don’t fragment），0 表示可以分片，1 表示不能分片。

第三个 bit 表示是否为最后一个包（MF，more fragment），0 表示最后一个分片，1 表示非最后一个分片。

片偏移（FO，Fragment Offset）

用于分片重组，由 13 个 bit 组成，用于重组时，标识每一个分段相对于原始数据的位置，第一个分片对应的值是 0，对应的长度单位是 8 字节。

例如，1480 的偏移量，其字段置为 1480 / 8 = 185，即 0 0000 1011 1001。

生存时间（TTL，Time To Live）

用来定义一个报文在网络上的生存时间，由 8 bit 组成，最初是用秒为单位，但实际上变成了，每经过一台路由器处理该数据报时，TTL 的值减去 1，若 TTL 为 0 时，该数据报被丢弃。

协议（Protocol）

不同层的报文中都会出现这种类似的字段，表示上层的协议（这里是运输层），由 8 bit 组成，该字段仅在 IP 数据报到达了目的地时才会使用，它告诉程序应该将该报文交给哪一个运输层协议，例如，值为 6 表示交给 TCP，值为 17 则交给 UDP。

该字段在 IP 数据报的作用类似于运输层的端口号，也类似于数据链路层的类型字段。它们都是为了将当前层协议和上层协议结合起来。

首部校验和（Header Checksum）

该字段仅用于校验 IP 首部，不校验数据部分，由 16 bit 组成，主要是确保 IP 数据报不被破坏。

源地址（Source Address）

32 bit 的发送端的 IP 地址

目标地址（Destination Address）

32 bit 的接收端的 IP 地址

可选项（Options）

长度可变，仅在实验中使用，由于长度的可变性，导致处理性能下降，复杂度上升，故在实践中几乎不使用。

数据（Data）

IP 数据报承载的上层协议的内容

分片和重组

数据链路层的 MTU，也就是最大传输单元，决定了 IP 数据报的大小是有限的，不同的数据链路层协议的 MTU 都不同，以最广泛使用的数据链路层协议——以太网协议为例，它的 MTU 是 1500 字节（不考虑巨型帧）。

例如，我们发送一个 4000 字节数据的 UDP 包，传输层会在数据前加上 UDP 首部（8 字节），也就是说最终放到 IP 报文的数据有 8 + 4000 = 4008 字节。

显然，4008 字节无法在 MTU 为 1500 的以太网中一次性传输，所以为分为 3 个片段（fragment），这些片最终到达目的地主机后会再重组成完整的 UDP 报文，最后交给运输层。

通过已下代码发送包含 4000 字节数据的 UDP 包，然后在目标主机上通过 wireshark 抓包，来直观的看 IP 如何分片的。

import socket

def main():
    ip = '192.168.0.106'
    port = 13333

    len = 4000
    data = 'a' * len

    udp_socket = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_DGRAM)
    udp_socket.sendto(data.encode("utf-8"), (ip, port))
    
    udp_socket.close()

if __name__ == "__main__":
    main()