IP协议
网络层协议主要包含：IP协议、ARP（地址解析协议）、RARP（反向地址解析协议）和 ICMP（互联网控制消息协议）。今天将会讲解 IP 协议的功能，IP 数据报的解析以及 IP 分片。
IP 协议
IP协议功能
- 寻址和路由
- 传递服务
- 不可靠，可靠性由上层协议提供
- 无连接
- 数据报分段和重组
寻址和路由：比如要从北京往南京发一封邮件，找到南京这个地方就叫寻址；北京到南京有好多条路线，选择走哪条路就叫路由。
传递服务：IP 协议是不可靠的，其可靠性由上层协议来保证，比如用 TCP 协议来保证。IP 协议就是尽最大努力来做事，不保证一定能做到。
数据报的分段是充足：从北京往南京发货物，货物比较大，一车装不下。那就要拆成好几个部分发送。到达目的地再把各个部件组合起来。
IP 数据报由首部和数据部分组成。
| 字段 | 比特 | 作用 |
|---|---|---|
| 版本 | 4 bit | IP协议的版本，一般为 4，即 IPv4 |
| 首部长度 | 4 bit | 1111 可表示的最大值为 15 单位， 1个单位4个字节，所以首部长度的最大值是60字节 |
| 服务类型 | 8 bit | 用来获得更好的服务，以前一直没有被人们使用 |
| 总长度 | 16 bit | 首部长度 + 数据长度，单位为字节， 因此数据报的最大长度为 2^16-1=65535 字节。 总长度 <= 最大传送单元 MTU |
| 标识 | 16 bit | 一个计数器，用来产生数据报的标识，同一段数据即使分片其标识任然是相同的 |
| 标志 | 3 bit | 第1位，无意义 当 DF = 0 时，表示允许分片 当 MF = 1 时，表示后面“还有分片”。MF = 0 表示最后一个分片。 |
| 片偏移 | 13 bit | 较长的分组在分片后，某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位。 |
| 生存时间 | 8 bit | TTL (Time To Live)表示数据报在网络中的生存时间，一般以以「跳数」为单位 |
| 协议 | 8 bit | 字段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处理过程。 |
| 首部检验和 | 16 bit | 字段只检验数据报的首部不包括数据部分。这里不采用 CRC 检验码而采用简单的计算方法。 |
| 源地址 | 4 bit | 发送数据的机器的 IP 地址 |
| 目的地址 | 4 bit | 接收数据的机器的 IP 地址 |
注：其中标识、标志和片偏移和 IP分片相关。
设置 TTL 可以避免发生环路，避免网络资源的浪费。最开始 TTL 的计时单位是秒，现在一般使用跳数来表示，每经过一个路由器，这个值就会减少1，减到0的时候就会将这个报文丢弃。
IP 数据报首部的可变部分
- IP 首部的可变部分就是一个选项字段，用来支持排错、测量以及安全 等措施，内容很丰富
- 选项字段的长度可变，从 1 个比特到 32个比特不等，取决于所选择 的项目
- 增加首部的可变部分是为了增加 IP 数据报的功能，但这同时也使得 IP 数据报的首部长度成为可变的。这就增加了每一个路由器处理数据报的开销
- 实际上这些选项很少被使用
IP 分片
IP 数据报由首部和数据部分组成。数据部分存储我们要传输的数据，数据体积如果太大，就需要将其拆分开来，分成多次传输。这就是 IP 分片。
在 TCP/IP 分层中，数据链路层用 MTU（Maximum Transmission Unit，最大传输单元）来限制所能传输的数据包大小，MTU是指一次传送的数据最大长度，不包括数据链路层数据帧的帧头，如以太网的MTU为1500字节，实际上数据帧的最大长度为1512字节，其中以太网数据帧的帧头为12字节。
当发送的 IP 数据报的大小超过了 MTU 时，IP 层就需要对数据进行分片，否则数据将无法发送成功。
比如说我们用火车从北京向南京送一批苹果，这批苹果就相当于是 IP 数据报中的数据部分。
但是火车的承载容量有限，火车最多能装多少就相当于 MTU。
一车装不下，我们把这一批苹果分装到不同的火车上，这就相当于 IP 分片。
比如说上图中的数据大小为 3800 字节，将其分成三个数据包片：0~1399、1400~2799、2800~3799。
我们分片之后，我们还需要将其按照序号组装起来，如何组装就要通过 IP 数据报的首部来进行标记了。
在 IP 首部中有 4 个字节是和 IP 分片相关的：
- 标识(identification) : 占 16 bit，其本质是一个计数器，用来产生数据报的标识，同一个数据报的各个分片的标识是一样的。
- 标志(flag)：占 3 bit，其中有1位用来表示是否有更多的分片，如果是最后一个分片，该标志位为0，否则为1
- R：目前只有后两个比特有意义。
- DF：Don’t Fragment,“不分片”位，
DF=1表示不分片； - MF：More Fragment,“更多的片”，除了最后一片外，其它每个组成数据报的片都要把比特置1
- 片偏移：占13 bit，某片在原分组中的相对位置。片偏移以 8 个字节为偏移单位，所以要除以8
参考：
