IPv4 数据报详解

1. 引言

Internet Protocol (IP) 是网络层中最重要的通信协议，其核心功能是路由。它负责将主机发出的数据包通过路由器逐跳转发，直到到达目标地址。

简单来说，传输层会将数据流拆分成 IP 数据包，IP 路由器在网络中逐跳转发这些数据包，接收端的网络层再将所有数据包重新组装成原始的数据流，最后由传输层进行处理。

互联网是由多个异构网络通过路由器互联组成的。为了适应不同网络对数据传输速率和数据包大小的限制，路由器可能会将 IP 数据包拆分成更小的片段，这种技术称为分片（Fragmentation）。

在本文中，我们将深入讲解 IPv4 数据报的结构和关键字段。

2. IPv4 数据报结构

IPv4 于 1981 年推出，至今仍在广泛使用。它采用 32 位地址空间，支持约 43 亿个唯一 IP 地址。

一个 IPv4 数据包被称为 datagram（数据报），它由头部（header）和数据部分（data payload）组成。

• 头部至少有 20 字节固定字段（mandatory fields）。
• 后续可选字段（options + padding）最多 40 字节。
• 所以整个头部长度在 20~60 字节之间。
• 数据报最大长度为 65,535 字节（2¹⁶），其中至少 20 字节是头部，因此数据部分最大为 65,515 字节。

IPv4 头部共有 14 个字段，前 13 个是必填字段，第 14 个是可选字段（Options）。

2.1 版本号（Version）

4 位字段，标识 IP 协议版本。IPv4 中该字段值为 4。

2.2 头部长度（Internet Header Length, IHL）

4 位字段，表示头部长度，单位是 32 位字（4 字节）。
最小值为 5（即 5×4=20 字节），最大值为 15（即 15×4=60 字节）。

2.3 服务类型（Differentiated Services Code Point, DSCP）

8 位字段，用于指定数据包的服务类型，例如 VoIP（语音 IP）流量优先处理。

2.4 显式拥塞通知（Explicit Congestion Notification, ECN）

用于在网络拥塞时通知发送端，而无需丢弃数据包，从而提高网络效率。

2.5 总长度（Total Length）

16 位字段，表示整个数据报的长度（包括头部和数据），单位为字节。最大值为 65,535。

2.6 标识符（Identification）

16 位字段，用于唯一标识一组数据报的分片。同一个原始数据报的所有分片具有相同的标识值。

2.7 标志位（Flags）

3 位字段，用于控制分片行为：

• Bit 0：保留位，必须为 0。
• Bit 1：DF（Don’t Fragment），若为 1 表示禁止分片。
• Bit 2：MF（More Fragments），若为 1 表示还有后续分片。

2.8 分片偏移（Fragment Offset）

13 位字段，表示当前分片相对于原始数据报数据部分的偏移量，单位为 8 字节。

2.9 生存时间（Time To Live, TTL）

8 位字段，表示数据报的最大跳数（hop）。每经过一个路由器，TTL 减 1，减到 0 时被丢弃，防止数据包在网络中无限循环。

2.10 协议（Protocol）

8 位字段，表示数据部分使用的上层协议类型，例如：

• 6 表示 TCP
• 17 表示 UDP
• 1 表示 ICMP

2.11 头部校验和（Header Checksum）

16 位字段，仅用于校验头部是否出错。每个路由器都会重新计算该值，若校验失败则丢弃数据包。

✅ 注意：校验和只校验头部，不包括数据部分。

2.12 源地址（Source Address）

32 位字段，表示发送方的 IPv4 地址。

2.13 目标地址（Destination Address）

32 位字段，表示接收方的 IPv4 地址。

2.14 可选字段（Options）

可变长度字段，用于扩展功能，如记录路由、时间戳等。使用较少，且通常只在特殊场景下使用。

3. 小结

本文详细介绍了 IPv4 数据报的结构和关键字段，帮助我们理解 IP 数据在网络中是如何被封装、转发和处理的。掌握这些基础知识对于网络编程、协议分析、以及网络故障排查都非常重要。

如果你在开发网络应用或做底层协议调试时，了解这些字段的含义和作用，可以帮你避免很多“踩坑”问题，也能更高效地定位和解决问题。