网络编程之TCP/IP协议族-网络层IP协议

发表于 2014-06-21 分类于 Lore

网络层是TCP/IP层次模型的第二层，主要功能是路径选择、拥塞控制和网际互连。IP协议是网络层最主要的协议，提供路由功能，并对传输层的数据进行重新组装，以适应不同网络对数据包大小的要求，实现两个节点间的通信。协议有IPv4和IPv6两个版本，现在最通用的是IPv4。

IP和链路层之间传送的数据单元被称作分组，分组既可以是一个IP数据报，也可以是数据报的一个分片。封装IP分组的一个过程就是添加IP首部，其格式如下（图片来自网络）。
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版本：4位，IP协议版本。值一般为4，即采用IPv4版本。
首部长度：4位，IP首部长度，4个字节为单位。首部包含可选项，是变长数据，取值范围为5-15，能表示20字节-60字节。
DSCP：6位，区分服务代码点。
ECN：2位，显式拥塞通知。
总长度：2个字节，IP分组的长度。
标识：2个字节，IP分组标识。由于IP是无连接服务，标识并非序号。当IP数据报长度大于MTU时，会进行分片，同一数据报的所有分片标识相同，以在接收端重新组装成一个数据报。
标志：3位。第1位未使用。第2位DF禁止分片，需要分片的数据报会被丢弃，并发送一个ICMP差错报文给起始端。第3位MF更多分片，当对数据报进行分片时，最后一个分片置0，其余分片置1。
片偏移：13位，8个字节为单位。表示数据报被分片后，该片数据在原数据报中的相对位置。
TTL：1个字节，IP分组在网络上的存活时间。每经过一个路由器该值减1，为0时则丢弃。
协议类型：1个字节，上层协议类型。常见值如1（ICMP）、6（TCP）、17（UDP）等。
首部校验和：2个字节，只计算首部。
源IP地址：4个字节，发送端IP地址。
目的IP地址：4个字节，接收端IP地址。
可选字段：0-40字节，使用较少，暂不赘述。

依然以tcpdump捕获到的TCP三次握手数据包为例。
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观察第一个数据包的前20字节。

上篇文章中提到，采用Ethernet II的以太网MTU是1500字节，所以IP分组长度不能大于1500字节。IP首部20字节，则IP数据域长度最大1480字节。如果传输层数据包长度大于此值，则需要分片。

同时，标准要求主机可以接收最小576字节的IP数据报。因此，如果数据需要传给未知的主机或经过未知的网络，并希望不会因为大小的原因而被丢弃，那么IP分组长度不应该大于576字节，否则需要分片。

分片过程中，协议层会对IP数据报进行合适的分割，使每片都不大于MTU。IP数据报的标识会被复制到每个分片中，最后一个分片的MF置0，其他分片置1，片偏移里保存每个分片数据相对于原数据以8个字节为单位的偏移值，这意味着除最后一个分片外，其他分片数据长度都是8字节的整数倍。

分片不只发生在发送端，在传输过程中，IP分组也可能被重新分片，由DF标志位决定。

接收端收到IP分片时，会检查MF标志位是否是0即最后一个分片，如果是，则根据分片偏移量计算各个分片在原始数据报中的位置并进行重组，否则等待所有分片到达后再进行重组。

不难看出，分片可能带来以下问题。

资源消耗：分片和重组会消耗一定的CPU等资源，如果存在大量的分片报文的话，可能会造成较为严重的资源消耗；分片对接收方内存资源的消耗较多，因为接收端要为接收到的每个分片分配内存空间，以便于最后一个分片到达后完成重组。
重传问题：如果某个分片在网络传输过程中丢失，那么接收端将无法完成重组，如果应用进程要求重传的话，发送端必须重传整个数据报的所有分片而不是仅重传被丢弃的那个，这会给端系统和网络带来额外的消耗。