考研笔记

IPv4 分组与分片

IP 定义了数据传送的基本单元——IP 分组（也称 IP 数据报）及其确切的数据格式，也包括一套规则，指明分组如何处理、错误怎样控制，还包含非可靠投递的思想以及与此关联的路由选择的思想。

本页的计算只围绕三个长度字段展开，它们的单位各不相同：首部长度以 4B 为单位，总长度以 1B 为单位，片偏移以 8B 为单位。 真题考过首部各字段的含义（2011、2012）、分片影响哪些字段（2011）、分片计算（2021）和 TTL（2014、2024）。王道明确说明不需要背首部格式，需要时题目会给出，但每个字段的意义和单位必须熟悉。

机制

IPv4 分组的格式

一个 IP 分组由首部和数据部分组成。首部前一部分的长度固定，共 20B，是所有 IP 分组必须具有的；在首部固定部分的后面是一些可选字段，其长度可变，用来提供错误检测及安全等机制。

行（每行 32 位）字段（位数）
第 1 行版本（4）· 首部长度（4）· 区分服务（8）· 总长度（16）
第 2 行标识（16）· 标志（3）· 片偏移（13）
第 3 行生存时间（8）· 协议（8）· 首部检验和（16）
第 4 行源地址（32）
第 5 行目的地址（32）
可变部分可选字段（长度可变）+ 填充

各重要字段的含义如下：

  1. 版本：占 4 位，指 IP 的版本，IPv4 数据报中该字段的值是 4。
  2. 首部长度：占 4 位，以 4B 为单位，最大可表示的首部长度为 60B（B）。最常用的首部长度是 20B（B），该字段的值是 5，此时不使用任何可选字段。所以 IP 首部前两个十六进制数字往往是 0x45，解题时可用于定位 IP 数据报的开始位置。
  3. 总长度：占 16 位，指首部和数据之和的长度，单位为字节，因此数据报的最大长度为 B。以太网帧的最大传送单元（MTU）为 1500B，因此当一个 IP 数据报封装成帧时，数据报的总长度（首部加数据）一定不能超过下面的数据链路层的 MTU 值。
  4. 标识：占 16 位，是一个计数器，每产生一个数据报就加 1，并赋值给标识字段。它不是”序号”，因为 IP 是无连接服务。当一个数据报的长度超过网络 MTU 时必须分片，此时每个数据报片都复制一次标识号，以便能正确地重装成原来的数据报。
  5. 标志：占 3 位。最低位为 MF，MF=1 表示后面还有分片，MF=0 表示最后一个分片；中间的一位是 DF，只有当 DF=0 时才允许分片。
  6. 片偏移：占 13 位，指出较长的数据报在分片后，某片在原数据报中的相对位置，以 8B 为偏移单位。所以除最后一个分片外，每个分片的数据长度一定是 8B 的整数倍。
  7. 生存时间（TTL）：占 8 位，数据报在网络中可通过的路由器数的最大值，标识数据报在网络中的寿命，以确保数据报不会永远在网络中循环。路由器在转发数据报前，先将 TTL 减 1；若 TTL 被减为 0，则该数据报必须丢弃（TTL 字段的分析与计算 2014、2024 年考过）。丢弃时路由器还要向源主机发送 ICMP 时间超过报文（4.2.7）。
  8. 协议：占 8 位，指出此数据报携带的数据使用何种协议，即数据部分应上交给哪个协议处理，如 TCP、UDP 等。值为 6 表示 TCP，值为 17 表示 UDP。
  9. 首部检验和：占 16 位，只检验数据报的首部，不包括数据部分，不检验数据部分可减少计算的工作量。数据报每经过一个路由器，其首部中的某些字段（如生存时间、总长度、标志、片偏移、源/目的地址）都可能发生变化，因此每个路由器都要重新计算首部检验和。计算方法与 UDP 和 TCP 的检验和相同（5.2.2 UDP 检验）。
  10. 源地址：占 4B，标识发送方的 IP 地址。
  11. 目的地址：占 4B，标识接收方的 IP 地址。

分析 IP 首部时，IP 地址通常用十六进制表示，要注意其与十进制之间的转换：每两个十六进制数字对应点分十进制的一段，例如 C0 A8 01 01 即 192.168.1.1。

IP 数据报分片

一个链路层数据帧能承载的最大数据量称为最大传送单元（MTU）。因为 IP 数据报被封装在链路层的帧中，所以链路层的 MTU 严格地限制了 IP 数据报的长度；而且在 IP 数据报的源与目的地路径上的各段链路可能使用不同的链路层协议，有不同的 MTU。例如，以太网的 MTU 为 1500B，而许多广域网的 MTU 不超过 576B。当 IP 数据报的总长度大于链路 MTU 时，就需要将 IP 数据报中的数据分装在多个较小的 IP 数据报中，这些较小的数据报称为片。

片在目的地的网络层被重新组装。 目的主机使用 IP 首部中的标识、标志和片偏移字段来完成对片的重组：

  • 创建一个 IP 数据报时，源主机为该数据报加上一个标识号；路由器将一个数据报分片时，形成的每个片都具有原始数据报的标识号。目的主机收到来自同一发送主机的一批数据报时，可通过检查标识号来确定哪些数据报属于同一个原始数据报的片。
  • 标志位只有后 2 位有意义：只有当 DF=0 时，该 IP 数据报才可被分片；MF=1 表示相应的原始数据报还有后续的片，MF=0 表示这是最后一个片。
  • 目的主机在对片进行重组时，使用片偏移字段来确定片应放在原始 IP 数据报的哪个位置。

分片时会影响首部中的哪些字段 2011 年考过：每个片的总长度、标志（MF）、片偏移、首部检验和都与原数据报不同；标识、源地址、目的地址、协议原样复制。

计算模板

分片计算

  1. 求每片最多携带多少数据：首部长度。先减首部，再向下取到 8 的倍数。
  2. 依次切分原数据部分：原数据长度 = 原总长度 − 首部长度。前面各片都取上一步的最大值，剩下的给最后一片。
  3. 每片的片偏移 = 该片数据在原数据部分中的起始字节号 ÷ 8。
  4. 每片的总长度 = 首部长度 + 该片数据长度。
  5. 标志：DF=0；除最后一片外 MF=1，最后一片 MF=0。

王道正文的例子：一个长 4000B 的 IP 数据报（首部 20B，数据部分 3980B）到达一个路由器，需要转发到一条 MTU 为 1500B 的链路上。每片最多携带 B 数据，于是 3980B 数据分到 3 个片中：

片数据字节范围数据长度总长度片偏移MFDF
10～14791480B1500B010
21480～29591480B1500B10
32960～39791020B1040B00

三个片的标识都与原数据报相同（例如都是 777）。

错题复盘：每片数据先减首部、再向下取 8 的倍数：MTU 为 800B 时每片最多 776B

2021 年统考真题（王道 4.2.8 第 67 题）：若路由器向 MTU=800B 的链路转发一个总长度为 1580B 的 IP 数据报（首部长度为 20B）时进行了分片，且每个分片尽可能大，则第 2 个分片的总长度字段和 MF 标志位的值分别是（A. 796，0　B. 796，1　C. 800，0　D. 800，1）。答案 B。

每片最多装 B 数据，但除最后一片外数据长度必须是 8 的倍数，只能取 776B。原数据部分 B，，需要分成 3 片：

片数据长度总长度片偏移MF
1776B796B01
2776B796B971
38B28B1940

选 800 是漏了”8 的倍数”这一步；选 MF=0 是以为只分了 2 片，没有算出最后还剩 8B。

边界

片偏移给的是数据部分的位置，不含首部，单位 8B。 第 2 片的片偏移 185 表示它的数据从原数据部分的第 字节开始，与首部长度无关。

错题复盘：片偏移以 8B 为单位，指的是该片数据在原数据中的位置

王道 4.2.8 第 8 题：下列关于 IP 分组的分片与组装的描述中，错误的是（A. IP 分组头中与分片和组装相关的字段是：标识、标志与片偏移　B. IP 分组规定的最大长度为 65535B　C. 以太网的 MTU 为 1500B　D. 片偏移的单位是 4B）。答案 D。

片偏移标识该分片所携带数据在原始分组所携带数据中的相对位置，以 8B 为单位；4B 是首部长度字段的单位。三个长度字段的单位最容易互相串：首部长度 4B、总长度 1B、片偏移 8B。

同组的第 9、11 题是这个单位的两种用法：片偏移为 100，表示该片数据部分的第 1 个字节是原数据部分的第 800 个字节（从 0 编号）；若该片总长度为 100B、首部长度字段为 5（20B），则数据部分 80B，最后一个字节的编号是 879。

MTU 限制的是 IP 数据报的总长度（首部 + 数据），不是数据部分。 所以求每片的数据量时要先减去首部。

分片可以在源主机或途中任何一个路由器进行，重组只在目的主机进行。 中间路由器不重组，因为各个片可能走不同的路径。

若被分片的数据报本身已经是一个片（MF=1），它的最后一个子片仍要 MF=1。 只有原始数据报的最后一片才标 MF=0。

标识不是序号。 IP 是无连接的，标识只用来把同一原始数据报的片归到一起，不表示先后顺序。

首部检验和只管首部。 数据部分出错 IP 不负责检测，由上层（TCP/UDP 的检验和）处理。

错题复盘：DF=1 而分组超过 MTU 时，丢弃并用 ICMP 终点不可达报文报告源主机

王道 4.2.8 第 10 题：下列关于 IP 分组分片基本方法的描述中，错误的是（A. IP 分组长度大于 MTU 时，就必须对其进行分片　B. DF=1，分组的长度又超过 MTU 时，则丢弃该分组，不需要向源主机报告　C. 分片的 MF 值为 1 表示接收到的分片不是最后一个分片　D. 属于同一原始 IP 分组的分片具有相同的标识）。答案 B。

若分组长度超过 MTU：DF=1 时丢弃该分组，并且要用 ICMP 终点不可达报文向源主机报告差错；DF=0 时进行分片，MF=1 表示后面还有分片。B 错在”不需要报告”。

A 说的是超过 MTU 的分组不能原样通过，王道视为正确；DF=1 时不能分片，结果就是丢弃并报告。只有在 ICMP 规定不发送差错报告的那几种场合，才会丢弃而不报告（4.2.7）。

口径差异：DF 位与路径 MTU 发现

教材口径：DF=1 且数据报超过 MTU 时，路由器丢弃该数据报，并用 ICMP 终点不可达报文向源主机报告。

工程口径：这条 ICMP 报文的具体含义是”需要分片但设置了 DF”，现代操作系统的 TCP 通常主动把 DF 置 1，靠这条报文探测整条路径上最小的 MTU（路径 MTU 发现），然后自己把报文段切小，避免在路由器上分片。IPv6 更进一步，路由器根本不分片（4.3.1）。另外，首部中的”区分服务”8 位在标准中已细分为 6 位 DSCP 和 2 位 ECN。

对照速查

说法对错
IP 首部固定部分 20B，最长 60B✅
首部长度字段值为 5 时首部长 5B❌（B）
总长度字段以 4B 为单位❌（1B）
片偏移以 8B 为单位✅
标识字段是 IP 数据报的序号❌
MF=1 表示后面还有分片✅
DF=1 时允许分片❌（DF=0 才允许）
首部检验和检验整个数据报❌（只检验首部）
每经过一个路由器都要重新计算首部检验和✅
协议字段为 6 表示 UDP❌（6 是 TCP，17 是 UDP）
片在途中的路由器上重组❌（只在目的主机重组）

考点

  • 首部 20B 固定 + 最多 40B 可选；三个长度单位 4B / 1B / 8B
  • 标识复制、DF=0 才分、MF=1 还有后续；分片影响总长度、MF、片偏移、检验和（2011）
  • 分片计算：每片数据 （2021）
  • TTL 每跳减 1，减到 0 丢弃并发 ICMP 时间超过（2014、2024）
  • 协议字段 6 = TCP，17 = UDP；检验和只管首部，每跳重算

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