IP协议详解
目录
1.IP协议简介
2.IP首部介绍
3.IP分片原理
4.IP校验和原理
4.1 发送方IP校验和计算
4.2 接收方IP校验和验证
4.3 举个栗子
5.TTL介绍
1.IP协议简介
IP（Internet Protocol）协议是互联网上最基本的协议之一，它主要负责实现数据包的传输和路由选择。
IP协议主要特点包括：
- 无连接：IP协议在传输数据时，不需要在发送方与接收方之间建立一个持久的连接，每个数据包都是独立的、没有关联的。
- 不可靠：IP协议不保证数据包的可靠传输，它只是尽可能地将数据包传输到目的地。如果出现网络拥塞或其他问题，数据包可能会丢失或延迟。
- 分组交换：IP协议将数据分成若干个数据包进行传输，每个数据包都有自己的目的地址和源地址，路由器会根据这些地址将数据包转发到下一个网络节点，直到最终到达目的地。
IP协议主要功能包括：
- 分配IP地址：IP协议为每个连接到互联网上的设备分配一个唯一的IP地址，它用于标识设备的位置。
- 路由选择：IP协议根据路由表选择最佳的路径将数据包传输到目的地。
- 分组传输：IP协议将数据分成若干个数据包进行传输，每个数据包都有自己的目的地址和源地址。
- 分片和重组：IP协议可以将大的数据包进行分片，传输到接收方后再进行重组。
2.IP首部介绍
IP头部固定信息的长度为20字节，IP头部选项（Options）为可选字段，用于传递一些特殊的控制信息，如时间戳或安全选项等。
图 1 IP首部
IP头部固定信息包括以下字段：
版本（Version）：4位，表示IPv4协议的版本号，IPv4协议的版本号为4。
头部长度（Header Length）：4位，指示该IPv4头部信息的长度，单位为4字节，因此它的最小值为20字节。
服务类型（Type of Service）：8位，用于指示该数据包的服务类型，包括优先级、延迟和吞吐量等信息。
总长度（Total Length）：16位，指示整个IPv4数据包的长度，单位为字节，包括头部和数据部分。
标识（Identification）：16位，由发送方生成并用于标识数据包的唯一性，当一个IP数据包分片后，IP分片使用同一个标识，目的端根据IP标识进行数据包重组。
标志（Flags）：3位，用于指示数据包是否分片和是否是最后一片数据包，三位分别为：
Reserved bit 保留位，Don`t fragment(DF)禁止分片，More fragments(MF)更多分片。
DF为0指示IP数据包为分片包。MF为1指示IP数据包不是最后一个分片，为0指示为最后一个分片包。
片偏移（Fragment Offset）：13位，指示该数据包的偏移量，用于将分片的数据包重新组装成原始数据包，片偏移为该IP分片在整个IP包的位置（单位为字节），具体数值为数据包偏移的字节数除以8。
生存时间（Time to Live）：8位，表示数据包在互联网上可以经过的最大路由器数量，用于避免数据包在互联网上循环传输。
协议（Protocol）：8位，指示该数据包所使用的上层协议，如TCP、UDP或ICMP等。
首部校验和（Header Checksum）：16位，用于检查IPv4头部信息的完整性和正确性。
源地址（Source Address）：32位，表示发送方的IP地址。
目标地址（Destination Address）：32位，表示接收方的IP地址。
3.IP分片原理
IP分片是将一个大的IP数据包分成多个较小的数据包进行传输的过程。
IP分片的原理是在发送端将原始IP数据包分割成多个较小的数据包，每个数据包都有自己的IP头部，并且这些数据包都有相同的标识符。在接收端，当所有的分片都到达后，它们会被重新组合成原始的IP数据包。
什么是MTU？
MTU（Maximum Transmission Unit）指的是最大传输单元，是指在网络通信中，能够传输的最大数据包大小。它是网络通信中的一个重要参数，取决于所使用的网络协议以及网络设备的硬件能力。
在网络通信中，数据传输需要将数据分成若干个数据包进行传输。而每个数据包的大小就受到MTU的限制，如果数据包的大小超过MTU，就需要对数据进行分割并且进行多次传输。这样会增加网络通信的延迟和数据传输的复杂度，降低网络性能。
MTU的大小一般由网络设备的硬件能力决定，比如说网卡、交换机、路由器等。不同的网络协议也有不同的MTU大小限制，常见的有以太网的MTU为1500字节，PPP协议的MTU为1492字节等。
图 2 MTU和IP分片
4000字节的IP数据包如何通过MTU为1500链路？
4000字节IP数据包如果想通过MTU为1500的链路 需要将IP数据包切片为3个分片，如下图：
图 3 IP分片原理
三个分片具有相同的标识。
片1：DF为0，MF为1，表示是分片包且不是最后一个分片包。offset为0表示该分片在整个IP数据包的偏移字节数为0。
片2：DF为0，MF为1，表示是分片包且不是最后一个分片包。offset为185表示该分片在整个IP数据包的偏移字节数为185*8=1480。
片1：DF为0，MF为0，表示是分片包且为最后一个分片包。offset为370表示该分片在整个IP数据包的偏移字节数为370*8=2960。
4.IP校验和原理
4.1 发送方IP校验和计算
- IP首部校验和清零。
- 校验数据（IP首部）以16bit为单位进行累加求和，校验数据需为偶数字节，奇数字节末尾填充0变为偶数字节。
- 如果累加和超过16bit，产生了进位，需将高16bit和低16bit累加求和。
- 循环步骤3，直至未产生进位为止。
- 累加和取反得到校验和。
4.2 接收方IP校验和验证
- 接收方接收IP数据报文。
- 校验数据（IP首部）以16bit为单位进行累加求和，校验数据需为偶数字节，奇数字节末尾填充0变为偶数字节。
- 如果累加和超过16bit，产生了进位，需将高16bit和低16bit累加求和。
- 循环步骤3，直至未产生进位为止。
- 累加和和校验和相加得到0xffff，校验成功，否则失败。
4.3 举个栗子
发送方：
如下图待校验的数据如下图，图中数据为测试数据，方便演示。
图 4 发送方待校验数据
a.发送方先清零IP校验和。
b.计算累加和。
0x1122+0x3344+0x5566+0x7788+0x99aa+0x0000+0xbbbb+0xcccc+0xdddd+0xeeee
注意如果产生进位需要计算进位累加和。
c.取反得到校验和0xffaa。
d.填入IP首部校验和字段，并发送给对端。
图 5 发送方完成校验数据
接收方：
a.接收方接收到IP数据包后，进行累加和校验0x1122+0x3344+0x5566+0x7788+0x99aa+0xffaa+0xbbbb+0xcccc+0xdddd+0xeeee=0xffff
注意如果产生进位需要计算进位累加和。
b.校验结果为0xffff，数据正确接收。
5.TTL介绍
IP TTL是指IP数据包中的TTL字段，TTL代表Time To Live，即生存时间。在IP数据包传输过程中，每经过一个路由器，TTL值就会减1，一旦TTL值减为0，该数据包就会被丢弃。
TTL的作用是防止数据包在网络中无限循环，保证数据包能够正常传输并最终到达目的地。
图 6 TTL原理