在互聯(lián)網(wǎng)中，兩個互聯(lián)網(wǎng)模塊（即主機、路由器、網(wǎng)關(guān)等）之間的通信，是執(zhí)行互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP，Internet Protocol）。互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）規(guī)定了通信信息的數(shù)據(jù)傳輸格式，這稱為互聯(lián)網(wǎng)報文（internet datagram），或稱數(shù)據(jù)報。所謂互聯(lián)網(wǎng)報文，是指在一對互聯(lián)網(wǎng)模塊之間交換的數(shù)據(jù)單位（包括互聯(lián)網(wǎng)報頭）。在RFC 791《Internet Protocol》中規(guī)定了互聯(lián)網(wǎng)報文的格式，它是由報頭和報文數(shù)據(jù)信息構(gòu)成。RFC 791規(guī)定的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議屬于IPv4版本。IPv4的報文格式如下圖0所示。

圖0：IPv4報文（Datagram）格式

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一、報頭

由圖0可知，IPv4的報文格式是用二進制比特表示，4個字節(jié)（32比特）構(gòu)成一個單元。互聯(lián)網(wǎng)報頭（Internet Header）是指“消息、段、數(shù)據(jù)報、數(shù)據(jù)的分組或塊的開頭的控制信息”。它分為固定長度部分和可變長度部分。報頭中每單元由一個或多個字段構(gòu)成。每字段的長度（比特位）不同，但各字段的長度是固定的，這就是固定長度部分的報頭，由前12個字段構(gòu)成，共占用20個字節(jié)。報頭可變長度部分只有最后一個字段，即“可選項（Optional）”字段。下述對各字段分別做一介紹。

1、版本（Version）字段：

版本（Version）字段表示互聯(lián)網(wǎng)報頭的格式。其字段長度為4比特。IPv4的該字段之值為“4”（二進制表示為0100）。該值是由RFC 1700《Assigned Numbers》規(guī)定的，RFC 1700對于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系（也稱套件）版本號碼（0~15）分配詳見下表1-1。

表 1-1：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系版本號的規(guī)定

2、報頭長度（IHL，即Internet Header Length）字段：

該字段長度為4比特。由于報頭中有可選字段，因而報頭長度不固定，此字段之值指明報頭為4字節(jié)的倍數(shù)。此字段的最小值為5，表示只有固定長度部分而無選項，即報頭長度為20字節(jié)；該4比特字段的最大值為15，故報頭最長為60字節(jié)；

3、服務(wù)類型（TOS，Type Of  Service）字段：

服務(wù)類型字段的長度為8比特（1個字節(jié)）。該字段用于指明用戶期望的非量化的服務(wù)質(zhì)量，IPv4對TOS字節(jié)中各比特的用途規(guī)定如下圖1-3所示，

圖 1-3：IPv4對服務(wù)類型比特的規(guī)定

其中：PPP（Precedence）表示優(yōu)先權(quán)，3比特（第0~2比特），用于指明報文的重要性或優(yōu)先級別，以及后續(xù)參數(shù)（D、T、R）映射為實際網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量的方式；D（Delay attribute）表示延遲屬性，1比特（第3比特）；T（Throughput attribute）表示吞吐率屬性，1比特（第4比特）；R（Reliability attribute）表示可靠性屬性，1比特（第5比特）；第6~7比特留作備用，其值恒為0。對于TOS前6比特的取值及含義具體詳見下表1-3-1。另外，RFC 795對在ARPANET、PRNET和SATNET內(nèi)服務(wù)質(zhì)量的映射作了具體的規(guī)定。

表 1-3-1：IPv4服務(wù)類型值

在實踐中，IPv4文本中對TOS字節(jié)中D、T、R比特的定義并未獲得實際應(yīng)用，也未強制用戶使用上述比特。1981年的RFC 1700、1992年的RFC 1349和1993年的RFC 1455進一步規(guī)范了“優(yōu)先級（Precedence）”之后5比特域的使用規(guī)則，將前4比特稱為TOS域，最后1比特稱為“必為零比特”（MBZ，即Must Be Zero）。此后，所有主機發(fā)送IP報文時都必須使用這5比特。下表1-3-2列出了RFC 1700和RFC 1349中總結(jié)的TOS域代碼和意義。這一規(guī)定的意圖在于利用TOS域作為路由器選擇路徑的基礎(chǔ)。

表 1-3-2：IPv4的TOS域之規(guī)定

從上面的討論我們可以看出：IPv4追求的服務(wù)質(zhì)量是一種盡其所能的質(zhì)量，在費用、可靠性、吞吐率、延時和安全性等5個方面選擇一個最重要的指標，請求網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)就其所能盡量滿足。這與X.25網(wǎng)絡(luò)和ATM網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)質(zhì)量的要求不同。

4、報文總長度（Internet Datagram Total Length）字段：

報文總長度字段長度為 16比特（兩個字節(jié)），用于指示報文（Datagram）總的長度，以8字節(jié)為單位，包括報頭和報文數(shù)據(jù)信息。允許IP報文的最大長度為65536字節(jié)。但由于實際網(wǎng)絡(luò)支持的長度可能不同，IPv4要求支持的最大報文長度至少為576字節(jié)，即至少允許存放512字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)（64+512）；

5、報文標志符（Identification）字段：

也為16比特長度的字段，發(fā)送方指定的一種標識值，用于幫助組合數(shù)據(jù)報的“片（Fragment）”。在該報文存活期內(nèi)，在同一對通信目標間的報文中，此標志符之值必須惟一。因此，在報文“片”重新合成報文時，可用它作為“片”與原報文之間的關(guān)聯(lián)標志符。

注意：互聯(lián)網(wǎng)片（Internet Fragment）是指帶有互聯(lián)網(wǎng)報頭的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的一部分數(shù)據(jù)。“片”由1個或多個8字節(jié)數(shù)據(jù)塊（“片塊”，Fragment Block）組成。

6、標志字段（Flags）：

標志字段（Flags）用作各種控制標志。其字段長度為3比特，各比特的用意詳見下表1-6（注意：除最后一“片”外，前面的“片”必須為8字節(jié)（64比特）的整數(shù)倍）。

表 1-6：標志字段（Flags）各比特用用意

7、片位移（Fragment Offset）字段：

片位移字段的長度為13比特（因為前面標志字段占用3比特）。該字段表示該“片”在數(shù)據(jù)報中的位置，片偏移量以8個字節(jié)（64位）為單位測量，第一個片的偏移量為0。片由1個或多個8字節(jié)組成的數(shù)據(jù)塊（“片塊”，Fragment Block）。每個數(shù)據(jù)片中的片塊數(shù)（NFB，即Number of Fragment Block）將用作片位移的計數(shù)增量。例如：報文的第一“片”的該字段為“0”，若該“片”為512字節(jié)（NFB=64），分片后第2個報文的片位移字段內(nèi)應(yīng)為“64”，余類推。由于IP報文的最大長度為65536字節(jié)，故最大片位移量為8191。

8、存活期（TTL，Time To Live）字段：

TTL字段長度為8比特，用于指明報文在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)還能夠生存的時間（單位：秒）。經(jīng)過一個路由器，處理報頭的模塊至少對該值減1（即使處理時間不到1秒），當該值減為0時，該報文被丟棄，以防止報文在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)長時間循環(huán)。目前推薦使用的存活期（TTL）的缺省初始值為64。

存活期以時間秒為單位進行計算和處理在實踐中很難進行，標準文本中也沒說怎么實現(xiàn)。如果以絕對時間為基礎(chǔ)進行計算，就要求全網(wǎng)時鐘同步或具有某種“時戳”（Time Stamping）系統(tǒng)，而該功能屬于選項，并非所有網(wǎng)絡(luò)都支持。在實踐中，最簡單的方法是計算跨過的中間節(jié)點數(shù)（Hop），許多IPv4協(xié)議實現(xiàn)就是這樣做的，IPv6已將該字段改為“Hop Limit”。

9、協(xié)議（Protocol）字段：

該字段長度為8比特。用于標志在IP報文用戶數(shù)據(jù)字段內(nèi)部裝載的下層協(xié)議數(shù)據(jù)使用的協(xié)議（如：TCP），RFC 1700對此字段數(shù)字作了明確的規(guī)定。下面將IP層之上的典型協(xié)議十進制代碼列舉如下，詳見表1-9。

表 1-9：相關(guān)標準對典型IP上層協(xié)議的編號列表及協(xié)議的中英文對照

10、報頭校驗和（Header Checksum）字段：

該字段長度為16比特，只對報頭進行校驗和。由于一些報頭字段發(fā)生了變化（例如，生存時間），因此在處理互聯(lián)網(wǎng)報頭的每個點上都要重新計算和驗證。IPv4的16位校驗碼采用簡單的16位求反碼的方式獲得，而沒有采用循環(huán)冗余校驗方式.。

11、源地址／目的地址（Source/Destination Address）字段：

源地址和目的地址的字段長度均為32比特（4個字節(jié)），并有其專門的格式。

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12、可選項（Optional）字段：

該字段是報文頭中的可選擇部分。其字段長度可變，最大總長度為44字節(jié)。為了與報文長度為4字節(jié)的整倍數(shù)相適應(yīng)，選項部分總長度也必須為4字節(jié)的整倍數(shù)，否則應(yīng)通過填充字段（Padding）補齊。應(yīng)當指出：盡管單個報文中可能有一個或一個以上的選項，也可能無選項，但實現(xiàn)IPv4協(xié)議的軟、硬件則必須支持所有種類的選項。

選項具有下圖1-12所示的通用格式，但某些選項可能只有第1字節(jié)（選項類型Option Type）。選擇類型又由3個字段（Copied Flag，Option Class和Option Number）組成，這3個字段的取值要求詳見下表1-12-1。

圖 1-12：IP報文選項通用格式示意圖

表 1-12-1：選擇類型中各字段的取值

下表1-12-2為典型IPv4選項的內(nèi)部字段及選項用途說明。目前相關(guān)標準文本（RFC 1700）中定義了19種選項（注意：表1-3-1中只列出了其中的8種典型選項），它們分別與安全、源選徑、路徑記錄、連續(xù)報文流和報文在網(wǎng)內(nèi)傳輸過程中加蓋時戳等有關(guān)。

表 1-12-2：典型IPv4選項的內(nèi)部字段及選項用途說明

二、報文的數(shù)據(jù)信息

報頭后緊跟報文的數(shù)據(jù)信息。報文的數(shù)據(jù)信息即兩個互聯(lián)網(wǎng)模塊間應(yīng)傳送的用戶數(shù)據(jù)。包括報頭（含固定長度部分和可變長度部分）最大長度為65536字節(jié)（4字節(jié)的整倍數(shù)）。

三、報文的示例

下圖3是一個IPv4的攜帶最小數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)報文的例子（注意，每個刻度表示一個比特的位置）。其報頭由5個32比特（4字節(jié)）組成，數(shù)據(jù)報的總長度為21個八位字節(jié)。這個數(shù)據(jù)報是一個完整的數(shù)據(jù)報（無“片”段）。

圖 3：IPv4的攜帶最小數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)報文示例

四、報文中比特的傳輸順序

報文中報頭和數(shù)據(jù)的傳輸順序被解析為八位字節(jié)級別。當圖表顯示一組八位元時，這些八位位元的傳輸順序是它們在英語中閱讀的正常順序。例如，在下圖4中（每個刻度表示一個比特的位置），八位位元是按照十進制的編號順序傳輸?shù)摹．敯宋蛔止?jié)表示一個數(shù)字量時，圖中最左邊的位是高階或最高有效位。也就是說，十進制標記為0的位是最高有效位。

圖 4：比特的傳輸順序

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