一.IPv4协议简介

1.IPv4协议：网际协议版本4，一种无连接的协议，是互联网的核心，也是使用最广泛的网际协议版本。

二.IPv4数据报格式（由首部和数据组成）

1.版本：4bit，表示采用的IP协议版本。
2.首部长度：4bit，表示整个IP数据报首部的长度。
3.区分服务：8bit，用来获得更好的服务，该字段一般情况下不使用。

4.总长度：16bit，表示整个IP报文的长度，能表示的最大字节为2¹⁶-1=65535字节。

标识、标志、片偏移用于IP分组的分片与重组。

5.标识：16bit，IP软件通过计数器自动产生， 每产生一个数据报计数器加1；在IP分片以后，用来标识同一片分片。
6.标志：3bit，目前只有两位有意义；MF，置1表示后面还有分片，置0表示这是数据报片的最后1个；DF，不能分片标志，置0表示允许分片。
7.片偏移：13bit，表示IP分片后，相应的IP片在总的IP片的相对位置。

8.生存时间TTL（Time To Live）：8bit，表示数据报在网络中的生命周期，用通过路由器的数量来计量，即跳数（每经过一个路由器会减1）。TTL指示数据报在网络中可通过的路由器数的最大值。
9.协议：8bit，标识上层协议（TCP/UDP/ICMP…）。指出此数据报携带的数据使用何种协议，以便目的主机的IP层将数据部分上交给哪个运输层协议。

• 协议字段指出应将数据部分交给哪一个进程。
• IP协议支持多种协议，IP数据报可以封装多种协议PDU。

10.首部校验和：16bit，对数据报首部进行校验，不包括数据部分。这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法。

11.源地址：32bit（4字节），标识IP片的发送源IP地址。

12.目的地址：32bit，标识IP片的目的地IP地址。

13.选项：可扩充部分，具有可变长度，定义了安全性、严格源路由、松散源路由、记录路由、时间戳等选项。

14.填充：用全0的填充字段补齐为4字节的整数倍。

三.数据报分片与重组

1.MTU：最大传输单元

• 链路MTU
• 路径MTU

2.分片策略

• 允许途中分片：根据下一跳链路的MTU实施分片。
• 不允许途中分片：发出的数据报长度小于路径MTU（路径MTU发现机制）。

3.重组策略

• 途中重组，实施难度太大。
• 目的端重组（互联网采用的策略）。
• 重组所需信息：原始数据报编号、分片偏移量、是否收集所有分片。
• 标识、标志、片偏移用于IP分组的分片与重组。

①IPv4分组在传输途中可以多次分片

• 源端系统，中间路由器（可通过标志位设定是否允许路由器分片）。

②IPv4分片只在目的IP对应的目的端系统进行重组。

四.IP协议功能及报头字段总结

1.网络层基本功能

• 支持多条寻路将IP数据报送达目的端：目的IP地址。
• 表明发送端身份：源IP地址。
• 根据IP头部协议类型，提交给不同上层协议处理：协议。

2.其他相关问题

• 数据报长度大于传输链路的MTU的问题，通过分片机制解决：标识、标志、片偏移。
• 防止循环转发浪费网络资源（路由错误、设备故障…），通过跳数限制解决：生存时间TTL。
• IP报头错误导致无效传输，通过头部机校验解决：首部校验和。