IPv4 数据报

IPv4 数据报由首部和数据载荷组成。首部用于让路由器逐跳转发，数据载荷通常是上层协议交给 IP 的内容，例如 TCP 报文段、UDP 用户数据报或 ICMP 报文。

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IPv4 首部最小 20 B，最大 60 B。首部长度可变的原因是可选字段可能存在；填充字段只用于把首部补齐到 4 B 的整数倍。

长度计算

首部长度字段和总长度字段的单位不同，这是最容易算错的地方。

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$$
\text{首部长度}= \text{首部长度字段值} \times 4\text{B}
$$

$$
\text{载荷长度}= \text{总长度字段值}-\text{首部长度}
$$

例如首部长度字段为 0101，即十进制 5，则首部长度为 $5 \times 4=20\text{B}$。若总长度字段表示 1020 B，则载荷长度为 $1020-20=1000\text{B}$。

每段链路都有自己的最大传输单元 MTU。若 IPv4 数据报长度超过下一段链路的 MTU，且 DF 位允许分片（DF=0），路由器可以把一个 IPv4 数据报切成多个较小的分片。

分片对应的三个字段：

除最后一个分片外，每个分片的数据载荷长度必须是 8 B 的整数倍。原因是片偏移字段用 8 B 为单位记录位置，如果前面的分片载荷不是 8 B 的整数倍，后续分片的偏移就无法准确表示。

分片可以再次分片。中间路由器只负责继续转发或继续分片；重组只在目的主机进行。这样可以避免每个中间路由器都维护大量重组状态。

DF 位

DF=1 表示不允许分片。若下一段链路的 MTU 装不下该数据报，路由器不能强行分片，只能丢弃，并通常通过 ICMP 返回差错报告。

# TTL、协议字段和首部检验和

TTL 用来限制 IPv4 数据报的生存时间。每经过一个路由器，TTL 至少减 1；若减到 0，路由器丢弃该数据报，并通常向源主机发送 ICMP 时间超过报文。TTL 的核心作用是防止路由环路导致分组无限循环。

协议字段告诉目的主机的 IP 层把载荷交给谁处理。常见取值包括 ICMP、TCP、UDP 等。

首部检验和只覆盖 IPv4 首部，不覆盖数据载荷。由于 TTL 每跳都会变化，所以每个路由器转发前都需要重新计算首部检验和。IPv6 删除了首部检验和字段，以减少路由器逐跳处理开销。