在互聯(lián)網(wǎng)中，兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)模塊（即主機(jī)、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(bào)文（internet datagram），或稱數(shù)據(jù)報(bào)。所謂互聯(lián)網(wǎng)報(bào)文，是指在一對(duì)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(bào)頭）。在RFC 791《Internet Protocol》中規(guī)定了互聯(lián)網(wǎng)報(bào)文的格式，它是由報(bào)頭和報(bào)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(bào)文格式如下圖0所示。
圖0：IPv4報(bào)文（Datagram）格式
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一、報(bào)頭
由圖0可知，IPv4的報(bào)文格式是用二進(jìn)制比特表示，4個(gè)字節(jié)（32比特）構(gòu)成一個(gè)單元。互聯(lián)網(wǎng)報(bào)頭（Internet Header）是指“消息、段、數(shù)據(jù)報(bào)、數(shù)據(jù)的分組或塊的開(kāi)頭的控制信息”。它分為固定長(zhǎng)度部分和可變長(zhǎng)度部分。報(bào)頭中每單元由一個(gè)或多個(gè)字段構(gòu)成。每字段的長(zhǎng)度（比特位）不同，但各字段的長(zhǎng)度是固定的，這就是固定長(zhǎng)度部分的報(bào)頭，由前12個(gè)字段構(gòu)成，共占用20個(gè)字節(jié)。報(bào)頭可變長(zhǎng)度部分只有最后一個(gè)字段，即“可選項(xiàng)（Optional）”字段。下述對(duì)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(bào)頭的格式。其字段長(zhǎng)度為4比特。IPv4的該字段之值為“4”（二進(jìn)制表示為0100）。該值是由RFC 1700《Assigned Numbers》規(guī)定的，RFC 1700對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系（也稱套件）版本號(hào)碼（0~15）分配詳見(jiàn)下表1-1。
表 1-1：互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議體系版本號(hào)的規(guī)定
2、報(bào)頭長(zhǎng)度（IHL，即Internet Header Length）字段：
該字段長(zhǎng)度為4比特。由于報(bào)頭中有可選字段，因而報(bào)頭長(zhǎng)度不固定，此字段之值指明報(bào)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(zhǎng)度部分而無(wú)選項(xiàng)，即報(bào)頭長(zhǎng)度為20字節(jié)；該4比特字段的最大值為15，故報(bào)頭最長(zhǎng)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(zhǎng)度為8比特（1個(gè)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(duì)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(duì)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(bào)文的重要性或優(yōu)先級(jí)別，以及后續(xù)參數(shù)（D、T、R）映射為實(shí)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(duì)于TOS前6比特的取值及含義具體詳見(jiàn)下表1-3-1。另外，RFC 795對(duì)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(shí)踐中，IPv4文本中對(duì)TOS字節(jié)中D、T、R比特的定義并未獲得實(shí)際應(yīng)用，也未強(qiáng)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(jìn)一步規(guī)范了“優(yōu)先級(jí)（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(jī)發(fā)送IP報(bào)文時(shí)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(fèi)用、可靠性、吞吐率、延時(shí)和安全性等5個(gè)方面選擇一個(gè)最重要的指標(biāo)，請(qǐng)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(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求不同。
4、報(bào)文總長(zhǎng)度（Internet Datagram Total Length）字段：
報(bào)文總長(zhǎng)度字段長(zhǎng)度為 16比特（兩個(gè)字節(jié)），用于指示報(bào)文（Datagram）總的長(zhǎng)度，以8字節(jié)為單位，包括報(bào)頭和報(bào)文數(shù)據(jù)信息。允許IP報(bào)文的最大長(zhǎng)度為65536字節(jié)。但由于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)支持的長(zhǎng)度可能不同，IPv4要求支持的最大報(bào)文長(zhǎng)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(bào)文標(biāo)志符（Identification）字段：
也為16比特長(zhǎng)度的字段，發(fā)送方指定的一種標(biāo)識(shí)值，用于幫助組合數(shù)據(jù)報(bào)的“片（Fragment）”。在該報(bào)文存活期內(nèi)，在同一對(duì)通信目標(biāo)間的報(bào)文中，此標(biāo)志符之值必須惟一。因此，在報(bào)文“片”重新合成報(bào)文時(shí)，可用它作為“片”與原報(bào)文之間的關(guān)聯(lián)標(biāo)志符。
注意：互聯(lián)網(wǎng)片（Internet Fragment）是指帶有互聯(lián)網(wǎng)報(bào)頭的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的一部分?jǐn)?shù)據(jù)。“片”由1個(gè)或多個(gè)8字節(jié)數(shù)據(jù)塊（“片塊”，Fragment Block）組成。
6、標(biāo)志字段（Flags）：
標(biāo)志字段（Flags）用作各種控制標(biāo)志。其字段長(zhǎng)度為3比特，各比特的用意詳見(jiàn)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(biāo)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(zhǎng)度為13比特（因?yàn)榍懊鏄?biāo)志字段占用3比特）。該字段表示該“片”在數(shù)據(jù)報(bào)中的位置，片偏移量以8個(gè)字節(jié)（64位）為單位測(cè)量，第一個(gè)片的偏移量為0。片由1個(gè)或多個(gè)8字節(jié)組成的數(shù)據(jù)塊（“片塊”，Fragment Block）。每個(gè)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(jì)數(shù)增量。例如：報(bào)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(gè)報(bào)文的片位移字段內(nèi)應(yīng)為“64”，余類推。由于IP報(bào)文的最大長(zhǎng)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(zhǎng)度為8比特，用于指明報(bào)文在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)還能夠生存的時(shí)間（單位：秒）。經(jīng)過(guò)一個(gè)路由器，處理報(bào)頭的模塊至少對(duì)該值減1（即使處理時(shí)間不到1秒），當(dāng)該值減為0時(shí)，該報(bào)文被丟棄，以防止報(bào)文在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)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(shí)間秒為單位進(jìn)行計(jì)算和處理在實(shí)踐中很難進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)文本中也沒(méi)說(shuō)怎么實(shí)現(xiàn)。如果以絕對(duì)時(shí)間為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，就要求全網(wǎng)時(shí)鐘同步或具有某種“時(shí)戳”（Time Stamping）系統(tǒng)，而該功能屬于選項(xiàng)，并非所有網(wǎng)絡(luò)都支持。在實(shí)踐中，最簡(jiǎn)單的方法是計(jì)算跨過(guò)的中間節(jié)點(diǎn)數(shù)（Hop），許多IPv4協(xié)議實(shí)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(zhǎng)度為8比特。用于標(biāo)志在IP報(bào)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(duì)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(jìn)制代碼列舉如下，詳見(jiàn)表1-9。
表 1-9：相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)典型IP上層協(xié)議的編號(hào)列表及協(xié)議的中英文對(duì)照
10、報(bào)頭校驗(yàn)和（Header Checksum）字段：
該字段長(zhǎng)度為16比特，只對(duì)報(bào)頭進(jìn)行校驗(yàn)和。由于一些報(bào)頭字段發(fā)生了變化（例如，生存時(shí)間），因此在處理互聯(lián)網(wǎng)報(bào)頭的每個(gè)點(diǎn)上都要重新計(jì)算和驗(yàn)證。IPv4的16位校驗(yàn)碼采用簡(jiǎn)單的16位求反碼的方式獲得，而沒(méi)有采用循環(huán)冗余校驗(yàn)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(zhǎng)度均為32比特（4個(gè)字節(jié)），并有其專門的格式。
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12、可選項(xiàng)（Optional）字段：
該字段是報(bào)文頭中的可選擇部分。其字段長(zhǎng)度可變，最大總長(zhǎng)度為44字節(jié)。為了與報(bào)文長(zhǎng)度為4字節(jié)的整倍數(shù)相適應(yīng)，選項(xiàng)部分總長(zhǎng)度也必須為4字節(jié)的整倍數(shù)，否則應(yīng)通過(guò)填充字段（Padding）補(bǔ)齊。應(yīng)當(dāng)指出：盡管單個(gè)報(bào)文中可能有一個(gè)或一個(gè)以上的選項(xiàng)，也可能無(wú)選項(xiàng)，但實(shí)現(xiàn)IPv4協(xié)議的軟、硬件則必須支持所有種類的選項(xiàng)。
選項(xiàng)具有下圖1-12所示的通用格式，但某些選項(xiàng)可能只有第1字節(jié)（選項(xiàng)類型Option Type）。選擇類型又由3個(gè)字段（Copied Flag，Option Class和Option Number）組成，這3個(gè)字段的取值要求詳見(jiàn)下表1-12-1。
圖 1-12：IP報(bào)文選項(xiàng)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(xiàng)的內(nèi)部字段及選項(xiàng)用途說(shuō)明。目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文本（RFC 1700）中定義了19種選項(xiàng)（注意：表1-3-1中只列出了其中的8種典型選項(xiàng)），它們分別與安全、源選徑、路徑記錄、連續(xù)報(bào)文流和報(bào)文在網(wǎng)內(nèi)傳輸過(guò)程中加蓋時(shí)戳等有關(guān)。
表 1-12-2：典型IPv4選項(xiàng)的內(nèi)部字段及選項(xiàng)用途說(shuō)明
二、報(bào)文的數(shù)據(jù)信息
報(bào)頭后緊跟報(bào)文的數(shù)據(jù)信息。報(bào)文的數(shù)據(jù)信息即兩個(gè)互聯(lián)網(wǎng)模塊間應(yīng)傳送的用戶數(shù)據(jù)。包括報(bào)頭（含固定長(zhǎng)度部分和可變長(zhǎng)度部分）最大長(zhǎng)度為65536字節(jié)（4字節(jié)的整倍數(shù)）。
三、報(bào)文的示例
下圖3是一個(gè)IPv4的攜帶最小數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)報(bào)文的例子（注意，每個(gè)刻度表示一個(gè)比特的位置）。其報(bào)頭由5個(gè)32比特（4字節(jié)）組成，數(shù)據(jù)報(bào)的總長(zhǎng)度為21個(gè)八位字節(jié)。這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)報(bào)（無(wú)“片”段）。
圖 3：IPv4的攜帶最小數(shù)據(jù)的互聯(lián)網(wǎng)報(bào)文示例
四、報(bào)文中比特的傳輸順序
報(bào)文中報(bào)頭和數(shù)據(jù)的傳輸順序被解析為八位字節(jié)級(jí)別。當(dāng)圖表顯示一組八位元時(shí)，這些八位位元的傳輸順序是它們?cè)谟⒄Z(yǔ)中閱讀的正常順序。例如，在下圖4中（每個(gè)刻度表示一個(gè)比特的位置），八位位元是按照十進(jìn)制的編號(hào)順序傳輸?shù)摹．?dāng)八位字節(jié)表示一個(gè)數(shù)字量時(shí)，圖中最左邊的位是高階或最高有效位。也就是說(shuō)，十進(jìn)制標(biāo)記為0的位是最高有效位。
圖 4：比特的傳輸順序
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