IPv4 報文頭

Author: Xu FC
References:
https://tools.ietf.org/html/rfc791
https://tools.ietf.org/html/rfc1393
http://www.iana.org/assignments/ip-parameters/ip-parameters.xhtml
http://www.bogpeople.com/networking/dscp.shtml
https://blog.csdn.net/u011784495/article/details/71636993
http://www.rhyshaden.com/ipdgram.htm
http://www.tcpipguide.com/free/t_IPDatagramOptionsandOptionFormat-2.htm

IPv4 報文頭格式

字段 長度 (bits) 含義
Version 4 IP 協(xié)議版本號
Header Length 4 IPv4 首部長度
Type of Service 8 區(qū)分服務(wù), 與 IP 優(yōu)先級相關(guān)
Total length 16 總長度，包括 header 和 payload
Identification 16 標(biāo)識，數(shù)據(jù)報的標(biāo)識，分片數(shù)據(jù)報的各分片標(biāo)識相同
Flags 3 標(biāo)志，與分片相關(guān)
Fragment Offset 13 片偏移，與分片相關(guān)
Time to Live 8 數(shù)據(jù)報在傳輸中的跳數(shù)限制
Protocol 8 協(xié)議，上一層封裝的協(xié)議號
Header Checksum 16 首部校驗(yàn)和，只校驗(yàn)首部，不包含數(shù)據(jù)部分
Source IP Address 32 源 IP
Destination IP Address 32 目的 IP
Options 0~40 選項(xiàng)字段，必須是 4 字節(jié)的倍數(shù),否則以 0 填充
Data 填充報文

Version - 版本號

4 bits

0x4: IPv4， ethernetII type 為 0x0800
0x6: IPv6， ethernetII type 為 0x86dd

Header Length - 首部長度

4 bits

IPv4 首部長度，1 個單位代表 4 個字節(jié)，在沒有選項(xiàng)的情況下，IPv4 首部長度為 5，即固定長度 20 字節(jié)（從 version 到 destination IP address），報頭長度必須是 4 字節(jié)的整數(shù)倍，如果不是，需要填充 PAD 補(bǔ) 0 湊齊。
PAD

Type of Service - 服務(wù)類型

8 bits

|0|1|2|3|4|5|6|7|

前 6 位 (0~5, RFC 2474) : 區(qū)分服務(wù)碼點(diǎn) (DSCP - Different Services Code Point), 是 IP 優(yōu)先級和服務(wù)類型字段的組合。

ToS

  • 第 0~2 位 (優(yōu)先級從高到低)

    • 111：Network Control
    • 110：Internetwork Control
    • 101：Critic/ECP
    • 100：Flash Override
    • 011：Flash
    • 010：Immediate
    • 001：Priority - 優(yōu)先
    • 000：Routine - 常規(guī)

  • 第 3 位

    • 1：Low delay - 低延遲
    • 0：Normal delay - 正常延遲

  • 第 4 位

    • 1：High Throughput - 高吞吐量
    • 0：Normal Throughput - 正常吞吐量

  • 第 5 位

    • 1：High Reliability - 高可靠性
    • 0：Normal Reliability - 正?？煽啃?/li>

后 2 位 (RFC 3168)：擁塞通知 (ECN - Explicit Congestion Notification)。

  • 第 6 位

    • 1：Minimise monetary cost (RFC 1349)
    • 0

  • 第 7 位

    • 0：必需為 0

IP 優(yōu)先級表

  • CS: 類選擇器 (Class Selector) (RFC 2474) - 同一 class 的優(yōu)先級相同
  • AFxy: 保證轉(zhuǎn)發(fā) (Assured Forwarding) (x=class, y=drop precedence) (RFC 2579 - Textual Conventions for SMIv2) - MIB 相關(guān)
  • EF: 加急轉(zhuǎn)發(fā) (Expedited Forwarding) (RFC 3246) - 快速轉(zhuǎn)發(fā) PHB (Per-Hop Behavior)，低延遲、低抖動、低損耗
DSCP Binary IP Precedence
CS0 000 000 0
CS1 001 000 1
AF11 001 010 1
AF12 001 100 1
AF13 001 110 1
CS2 010 000 2
AF21 010 010 2
AF22 010 100 2
AF23 010 110 2
CS3 011 000 3
AF31 011 010 3
AF32 011 100 3
AF33 011 110 3
CS4 100 000 4
AF41 100 010 4
AF42 100 100 4
AF43 100 110 4
CS5 101 000 5
EF 101 110 5
CS6 110 000 6
CS7 111 000 7

Total length - 總長度

16 bits

總長度 = IP 頭部長度 + 數(shù)據(jù)長度
16 bit 能表示的最大長度為 65535 字節(jié)（2 的 16 次方 - 1），超過該長度的報文可以通過 IP 分片進(jìn)行構(gòu)造。

Identification - 標(biāo)識

16 bits

每個數(shù)據(jù)報有唯一標(biāo)識，每次加1，同一個數(shù)據(jù)報產(chǎn)生分片，所有分片的標(biāo)識相同，給分片重組作為依據(jù)。

Flags - 標(biāo)志

3 bits

|0|1|2|

分片標(biāo)志：

  • 第 0 位 - Reserved，沒有使用，保持為 0；
  • 第 1 位 - DF (Don't Fragment)
    • DF = 1：不允許分片
    • DF = 0：允許分片
  • 第 2 位 - MF (More Fragment)
    • MF = 1：表示后面有分片
    • MF = 0：表示當(dāng)前是最后一個分片

Fragment Offset - 片偏移

13 bits

表示在當(dāng)前分片在數(shù)據(jù)報的位置，如果沒有分片，該字段為 0 ；如果有分片，首片片偏移為 0，偏移的一個單位表示 8 字節(jié)，因此非尾片的數(shù)據(jù)部分需是 8 字節(jié)的整數(shù)倍，如果當(dāng)前分片為第二片，首片數(shù)據(jù)部分為 24 字節(jié)，即結(jié)束位置為第 24 * 8 - 1 = 191 位，因此當(dāng)前分片的片偏移為 3，即起始位置為第 3 * 8 * 8 = 192 位。


首片

當(dāng)前分片，片偏移為 3

Time to Live (TTL) - 生存時間

8 bits

表示該報文傳輸中允許經(jīng)過的跳數(shù)，沒經(jīng)過一個路由器，該值就減 1 ，當(dāng) TTL = 0 時，丟棄這個報文，從而阻止報文在網(wǎng)絡(luò)上無限傳輸。TTL 最大值為 255 (2 的 8 次方 -1）。

Protocol - 上層協(xié)議

8 bits

告訴主機(jī)的 IP 層應(yīng)該將數(shù)據(jù)交給哪個上層處理過程。

Header Checksum - 首部校驗(yàn)和

16 bits

用于IP首部校驗(yàn)，校驗(yàn)失敗則丟棄該報文。

Source IP Address

32 bits

發(fā)送端 IP 地址。
Web 應(yīng)用中，源 IP 不能是受限廣播 IP。

Destination IP Address

32 bits

接收端 IP 地址。
255.255.255.255 為受限廣播，路由器將丟棄該報文。
x.x.x.255 直接廣播，該報文將被發(fā)送到 x.x.x.0/24 子網(wǎng)的每一臺主機(jī)上。

Options - 選項(xiàng)

可選的 IP 報頭字段。
選項(xiàng)長度需要是 4 字節(jié)的整數(shù)倍，非整數(shù)倍將 PAD 填充。


  • Option type
    • Copy flag - 1 bit：
      • 0：如果報文分片，該選項(xiàng)將不被復(fù)制到每個分片中；
      • 1：如果報文分片，該選項(xiàng)將被復(fù)制到每個分片中；
    • Option class - 2 bits：只使用了 0 和 2
      • 0：控制；
      • 2：For debugging and measurement；
    • Option number - 5 bits：類似于協(xié)議號，指明是什么選項(xiàng)；
    • Option length - 8 bits：該選項(xiàng)的整個長度，即從 type 起始到 data 結(jié)束的長度，1 個單位代表 1 字節(jié)；
    • Option data - 詳細(xì)見 RFC 791；
Copy Class Option Number Length (字節(jié)) Description
0 0 0 - EOOP - End of Options List, 無長度和數(shù)據(jù)，用于標(biāo)記選項(xiàng)列表的結(jié)尾。
0 0 1 - NOP - No Operation (忽略選項(xiàng))，無長度和數(shù)據(jù)， 用于對齊 IP 頭中 32 位邊界對齊的內(nèi)部填充。
1 0 2 11 SEC - Security（IP 安全性選項(xiàng)），用于指定 IP 數(shù)據(jù)包的安全性分類。
1 0 3 可變 LSR - Loose Source Route (松散路由)，向目的轉(zhuǎn)發(fā)時指定路由，網(wǎng)關(guān)可以不遵守。
0 2 4 可變 TS - Time Stamp（時間戳），與 RR 類似，只是將路由改為時間戳，每個路由器都插入時間戳，用來查看路由之前的傳輸時長。
1 0 5 E-SEC - Extended Security（擴(kuò)展安全選項(xiàng)），與基本安全選項(xiàng)一起使用，附加安全標(biāo)簽信息。
1 0 6 CIPSO - Commercial Security（商業(yè)安全）
0 0 7 可變 RR - Record Route（記錄路由），記錄數(shù)據(jù)報走過的每個路由，長度由始發(fā)設(shè)備設(shè)置，不能被放大，如果到達(dá)目的前被填滿，則只會記錄部分路由。
1 0 8 4 SID - Stream ID（流），在不支持流概念的網(wǎng)絡(luò)中傳輸 16 位 SATNET 流標(biāo)識
1 0 9 可變 SSR - Strict Source Route（嚴(yán)格源路由），指定路由，路由器必須按照該路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且在轉(zhuǎn)發(fā)過程中將源路由替換為路由器地址。
0 0 10 ZSU - Experimental Measurement（實(shí)驗(yàn)測量）
0 0 11 MTUP - MTU Probe，用于從非分片數(shù)據(jù)報傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)路徑中找到最低 MTU，MTU 值將在 MTU Reply 中返回。已過時。
0 0 12 MTUR - MTU Reply，已過時。
1 2 13 FINN - Experimental Flow Control（實(shí)驗(yàn)測量控制）
1 0 14 VISA - Experimental Access Control（實(shí)驗(yàn)訪問控制）
0 0 15 ENCODE（用于圍繞 IP 層加密實(shí)驗(yàn)）
1 0 16 IMITD - IMI Traffic Descriptor（IMI 流量描述符）
1 0 17 EIP - Extended Internet Protocol（擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）
0 2 18 12 TR - Traceroute（跟蹤路由），路由器將 ICMP Traceroute 消息發(fā)送給始發(fā)主機(jī)，從而告訴發(fā)起方傳輸路徑。RFC 1393。
1 0 19 10 ADDEXT - Address Extension（地址擴(kuò)展），用于載入 IPv4 地址轉(zhuǎn)換為 IPv7 地址所需附加字節(jié)。
1 0 20 4 RTRALT - Router Alert（路由報警），通知中轉(zhuǎn)路由器更仔細(xì)的檢查 IP 數(shù)據(jù)報的內(nèi)容。
1 0 21 6~38 SDB - Selective Directed Broadcast（選擇性定向廣播模式），為 IPv4 數(shù)據(jù)報的選項(xiàng)字段包含的一組 IP 地址提供 UDP 傳輸。
1 0 22 unassigned
1 0 23 DPS - Dynamic Packet State（動態(tài)分組狀態(tài)）
1 0 24 UMP - Upstream Multicast Pkt（上游組播包）
0 0 25 QS - Quick-Start（快速開始）
0 0 30 EXP - RFC 3682
0 2 30 EXP - RFC 3682
1 0 30 EXP - RFC 3682
1 2 30 EXP - RFC 3682

EOOL - End of Options List

無長度和數(shù)據(jù)，用于標(biāo)記選項(xiàng)列表的結(jié)尾。

+--------+
|00000000|
+--------+

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 0

NOP - No Operation (忽略選項(xiàng))

無長度和數(shù)據(jù)， 用于對齊 IP 頭中 32 位邊界對齊的內(nèi)部填充。

+--------+
|00000001|
+--------+

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 1
NOP

LSR - Loose Source Route (松散路由)

向目的轉(zhuǎn)發(fā)時指定路由，網(wǎng)關(guān)可以不遵守。

+--------+--------+--------+---------//--------+
|10000011| length | pointer|     route data    |
+--------+--------+--------+---------//--------+

Copy - 1 bit: 1
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 3

Length - 8 bits
Pointer - 8 bits
Route data
LSR

TS - Time Stamp（時間戳）

與 RR 類似，只是將路由改為時間戳，每個路由器都插入時間戳，用來查看路由之前的傳輸時長。
為了不暴露內(nèi)網(wǎng)路徑相關(guān)信息，防火墻應(yīng)丟棄攜帶 TS Option 的報文。

+--------+--------+--------+--------+
|01000100| length | pointer|oflw|flg|
+--------+--------+--------+--------+
|         internet address          |
+--------+--------+--------+--------+
|             timestamp             |
+--------+--------+--------+--------+
|                 .                 |
                  .
                  .

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 1
Number - 5 bits: 4

Length - 8 bits
Pointer - 8 bits：指向下一個時間戳記錄添加位置。
Overflow - 4 bits：由于缺少空間而無法記錄時間戳的跳數(shù)。
Flag - 4 bits：
    0: 只記錄時間戳
    1: 記錄 IP 地址和時間戳
    3: 提前指定 IP 地址，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)匹配該 IP 時，記錄該時間戳
TS

RR - Record Route（記錄路由）

記錄數(shù)據(jù)報走過的每個路由，長度由始發(fā)設(shè)備設(shè)置，不能被放大，如果到達(dá)目的前被填滿，則只會記錄部分路由。
為了不暴露內(nèi)網(wǎng)路徑，防火墻應(yīng)丟棄攜帶 RR Option 的報文。

+--------+--------+--------+---------//--------+
|00000111| length | pointer|     route data    |
+--------+--------+--------+---------//--------+

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 7

Pointer - 8 bits: 指向下一個路由記錄添加位置。
RR

SSR - Strict Source Route（嚴(yán)格源路由）

指定路由，路由器必須按照該路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并且在轉(zhuǎn)發(fā)過程中將源路由替換為路由器地址。

+--------+--------+--------+---------//--------+
|10001001| length | pointer|     route data    |
+--------+--------+--------+---------//--------+

Copy - 1 bit: 1
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 9
SSR

TR - Traceroute（跟蹤路由）

路由器將 ICMP Traceroute 消息發(fā)送給始發(fā)主機(jī)，從而告訴發(fā)起方傳輸路徑。

+--------+--------+--------+--------+
|01010010| Length |    ID Number    |
+--------+--------+--------+--------+
|Outbound Hop Count|Return Hop Count|
+--------+--------+--------+--------+
|      Originator IP Address        |
+--------+--------+--------+--------+

Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 2
Number - 5 bits: 18
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