IP 协议

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  IP 协议

概述

IP 协议是 TCP/IP 协议簇中的焦点协议，也是 TCP/IP 协议的载体，IP 协议规定了数据传输时的基本单元和格式。从前面先容的可以看出，IP 协议位于以太网 MAC 帧格式的数据段，IP 协议内容由IP 首部和数据字段组成。所有的 TCP、UDP 及 ICMP 数据都以 IP 数据报格式传输
数据包格式

IP 数据包格式如图所示。

前 20 个字节和紧跟其后的可选字段是 IP 数据报的首部，前 20 个字节是固定的，反面可选字段是无关紧要的，首部的每一行以 32 位（4 个字节）为单位。每个字节传输规则为由比特最高位到最低位的次序逐一进行发送，4 字节的 32bit 值按照以下序次传输：起首 7-0bit，其次 15-8 bit，然后 23-16bit，末了是 31- 24bit。

• 版本：4 位 IP 版本号（Version），这个值设置为二进制的 0100 时表现 IPv4，设置为 0110 时表现 IPv6，目前使用比较多的 IP 协议版本号是 4。
  
• 首部长度：4 位首部长度（IHL，Internet Header Length），表现 IP 首部一共有多少个 32 位（4 个字节）。在没有可选字段时，IP 首部长度为 20 个字节，因此首部长度的值为 5。
  
• 服务范例：8 位服务范例（TOS，Type of service），该字段被划分成两个子字段：3 位优先级字段（现在已经基本忽略掉了）和 4 位 TOS 字段，末了一位固定为 0。服务范例为 0 时表现一样寻常服务。
  
• 总长度：16 位 IP 数据报总长度（Total Length），包括 IP 首部和 IP 数据部分，以字节为单位。我们使用 IP 首部长度和 IP 数据报总长度，就可以知道 IP 数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16bit，所以 IP 数据报最长可达 65535 字节。尽管理论上可以传输长达 65535 字节的 IP 数据报，但实际上还要考虑网络的最大承载能力等因素。
  
• 标识：16 位标识（Identification）字段，用来标识主机发送的每一份数据报。通常每发送一份报文它的值就会加 1。
  
• 标志：3 位标志（Flags）字段，
  
  
  
  • 第 1 位为保留位；
    
  • 第 2 位表现禁止分片
    
    
    
    • 1：表现不分片，用来cesium接口的 MTU 巨细的，例如以太网就是 1500
      
    • 0：允许分片；
      
    
    
  • 第 3 位标识更多分片（除了数据报的末了一个分片外，其它分片都为 1）
    
    
    
    • 1：表现另有分片，
      
    • 0：末了一个分片。
      
    
    
  
  
• 片偏移：13 位片偏移（Fragment Offset），在吸收方进行数据报重组时用来标识分片的次序。
  
• 生存时间：8 位生存时间字段，TTL（Time To Live）域防止丢失的数据包在无休止的流传，一样寻常被设置为 64 大概 128。
  
• 协议：8 位协议（Protocol）范例，表现此数据报所携带上层数据使用的协议范例，ICMP 为 1，TCP为 6，UDP 为 17。
  
• 首部校验和：16 位首部校验和（Header Checksum），该字段只校验数据报的首部，不包罗数据部分；校验 IP 数据报头部是否被破坏、窜改和丢失等。
  
• 源 IP 地址：32 位源 IP 地址（Source Address），即发送端的 IP 地址，如 192.168.1.123。
  
• 目的 IP 地址：32 位目的 IP 地址（Destination Address），即吸收端的 IP 地址，如 192.168.1.102。
  
• 可选字段：是数据报中的一个可变长度的可选信息，选项字段以 32bit 为界，不敷时插入值为 0 的填充字节，保证 IP 首部始终是 32bit 的整数倍。
  

首部校验和

以上内容是对 IP 首部格式的详细阐述，还需要增补的内容是 IP 首部校验和的盘算方法，其盘算步骤
如下：

• 将 16 位查验和字段置为 0，然后将 IP 首部按照 16 位分成多个单元；
  
• 对各个单元采用反码加法运算（即高位溢出位会加到低位，通常的补码运算是直接丢掉溢出的高位）；
  
• 此时仍旧可能出现进位的环境，将得到的和再次分成高 16 位和低 16 位进行累加；
  
• 末了将得到的和的反码填入校验和字段。
  

实例分析

实例一

例如，我们使用 IP 协议发送一个 IP 数据报总长度为 60 个字节（有效数据为 40 个字节）的数据包，

• 发送端 IP 地址为 192.168.1.10，
  
• 吸收端 IP 地址为 192.168.1.102，则 IP 首部数据如下
  

按照上述提到的 IP 首部校验和的方法盘算 IP 首部校验和，即：
0x4500 + 0x003C + 0x0000 + 0x4000 + 0x4001 + 0x0000(盘算时强制置 0) + 0xc0a8 + 0x010a + 0xc0a8 +0x0166 = 0x248FD
0x0002 + 0x48FD = 0x000048FF（此种环境并未出现进位）
0x0000+ 0x48FF= 0x48FF（此种环境并未出现进位）
check_sum = ~0x48FF（按位取反）= 0xb700
分片

一个主机计划发送4000字节的IP数据报（20字节IP首部加上3980字节IP数据区域，假设没有IP数据报首部选项字段），且该数据报必须通过一条MTU为1500字节的以太网链路。这就意味着源始IP数据报中3980字节数据必须被分配为3个独立的数据报分片（此中的每个分片也是一个IP数据报）。假定初始IP数据报贴上的标识号为666，那么

• 第一个分片的数据报总巨细为1500字节（1480字节数据巨细+20字节IP数据报首部），3 位标志的值为 b001 表现允许分片，而且另有更多分片，分片偏移量为0。
  
• 第二个分片的数据报巨细也为1500字节，3 位标志的值为 b001 表现允许分片，而且另有更多分片，分片偏移量为185（185*8=1480）。
  
• 第三个分片的数据报巨细为1040（3980-1480-1480+20），3 位标志的值为 b000 表现允许分片，但是没有更多分片，分片偏移量为370（185+185）。
  
• 
  
  

抓包分析

参考

• 正点原子《开辟者之FPGA开辟指南V3.2》
  
• LwIP应用开辟实战指南—基于STM32
  

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