计算机网络:网络层 - IPv4数据报 & ICMP协议
- IPv4数据报
- [版本 : 首部长度 : 区分服务 : 总长度]
- [标识 : 标志 : 片偏移]
- [生存时间 : 协议 : 首部检验和]
- [可变部分 : 填充字段]
- ICMP协议
IPv4数据报
一个IPv4数据报
,由首部和数据两部分组成:
而首部又分为两部分:
上图中,首部又分为固定部分
和可变部分
,固定部分
的长度为20 byte
,而可变部分的长度在0 byte
到40 byte
之间。每一行占32 bit
也就是4 byte
。接下来就讲解这个首部各个字段的含义。
[版本 : 首部长度 : 区分服务 : 总长度]
- 版本
占4 bit
,表示该IP数据报
使用的版本,目前广泛使用的IP协议
版本号为4
。
- 首部长度
由于可变部分
的存在,IPv4数据报
的首部长度是不确定的,所以需要额外的字段来标识整个首部的长度。首部长度
占4 bit
,4 bit
可以表示的最大数字为二进制1111
,也就是15
。但是IPv4数据报
的最大长度为60 byte
,这是4 bit
好像不够用啊。
其实首部长度
字段的值,是以4 byte
为单位的,也就是说如果首部长度的值为15
,表示有15 * 4 = 60 byte
,这样4 bit
刚好可以表示最大的首部长度。另外的,由于首部长度单位的限制,所以IPv4
数据报首部的长度必须为四字节的整数倍。
- 区分服务
占8 bit
,用于提供不同等级的服务,也就是说IPv4数据报
的服务分了多个等级,可以通过该字段来选择不同等级。大部分情况下不使用这个字段。
- 总长度
占16 bit
,指明首部和数据部分的总长度,单位为byte
。由于只占16 bit
,所以整个IPv4数据报
总长度不超过665535 byte
。当然一般来数据报的长度是数据链路层的MTU
限制的。
[标识 : 标志 : 片偏移]
那么一个数据报的内容超过了MTU
该怎么办?此时就要进行分片
操作,将一个数据报分为多个小份的数据报。
假设现在有一个长度为3820 byte
的数据报,首部长度为20 byte
,现在MTU
限制为1420 byte
,那么我们就要把这个3820 byte
的打数据报分片为多个小的数据报。
如下图:
我们把这个数据报分片为了三个小数据报,第一个数据报的长度为20 + 1400
,第二个数据报的长度为20 + 1400
,第三个数据报的长度为20 + 1000
,其中20
表示每个分片后数据报的首部。而分片的规则为:优先填满前面的数据报,而不是将数据平均分配到每个数据报中。
将一个数据报分片后,会产生以下问题:
- 接收方如何知道这些分片后数据报来源于同一个数据报
- 接收方如何知道自己是否收到了所有分片
- 接收方如何知道这些分片的顺序
IPv4数据报
首部中的第二行字段,就是用来解决分片的问题的:
- 标识
占16 bit
,这是一个计数器,用于区分不同的数据报,或者辨别相同的数据报。
比如说发送方前一个发送的数据报的标识 = 12345
的数据报,那么发送方发送的下一个数据报的标识就应该是12345 + 1 = 12346
。这样接收方就可以辨别出这是两个不同的数据报。
但是如果把一个数据报分片为多个数据报,那么分片出来的所有数据报,共用一个标识
字段。此时接收方收到多个分片后,就可以判断出来这些分片原本属于同一个数据报。
- 片偏移
占13 bit
,其用于指出一个数据报在分片后再原数据报中的相对位置。片偏移以8 byte
为单位。
比如刚才的案例中:
对于分片1
,其第一个字节为0
,片偏移 = 0 / 8 = 0
;
对于分片2
,其第一个字节为1400
,片偏移 = 1400 / 8 = 175
;
对于分片3
,其第一个字节为1800
,片偏移 = 2800 / 8 = 350
;
由于片偏移
只能是整数,所以数据报总长度必须是8 byte
的整数倍!
- 标志
占3 bit
,三个比特位单独解析,从低位到高位分别是MF
位,DF
位,和保留位
。其中保留位
是保留给以后使用的,目前没有意义,保留位必须为0
。
MF(More Fragment)
位,用于表示该数据报后面还有没有分片。一个数据报被分片后,除去最后一个分片外,所有的分片的MF = 1
,表示这个分片后还有分片;而最后一个分片的MF = 0
,表示该分片已经是最后一个分片了。
MF
位结合片偏移
,可以用于确认是否接收到了所有的分片。当接收方接收到了MF = 0
的分片,就说明已经收到了末尾的分片,随后获取该分片的片偏移
从而得知前面总共有多少数据,再检测自己之前收到的数据,就可以知道自己是否受到了所有分片了。
DF(Don't Fragment )
位,该位表示一个数据报是否允许分片,如果DF = 0
表示允许分片,如果DF = 1
表示不允许分片。
=如果一个数据报的长度超过了MTU
,并且DF = 1
不允许分片,此时会直接丢弃这个数据报,并向上层发送错误信息,表示该数据报不能传递。
再回到这个案例:
接下来我画一个表格,表示这三个分片的各字段值,假设分片前标识 = 12345
:
数据报 | 标识 | MF | DF | 保留位 | 片偏移 |
---|---|---|---|---|---|
分片前 | 12345 | 0 | 0 | 0 | 0 |
分片1 | 12345 | 1 | 0 | 0 | 0 |
分片2 | 12345 | 1 | 0 | 0 | 175 |
分片3 | 12345 | 0 | 0 | 0 | 350 |
[生存时间 : 协议 : 首部检验和]
- 生存时间
占8 bit
,又叫做TTL(Time TO Live)
,该字段由源主机设置,路由器每次转发时TTL
要减一。当TTL = 0
时,路由器不再转发该报文,而是将其丢弃,即生存时间到期了。
- 协议
占b bit
,用于表示数据部分的内容使用了何种协议,常见协议字段取值如下:
- 首部检验和
占16 bit
,用于检验数据报的首部是否发生错误,注意只检验首部,不会检验数据部分。
以下是计算 IP 数据报首部校验和的步骤:
- 将首部所有字段视为 16 位字,并进行二进制求和(简单来说就是把首部看为16比特一组)
- 对求和结果进行进位运算
- 对求和结果进行按位取反
举例:
假设一个 IP 数据报的首部如下:
字段 | 值 | 二进制 |
---|---|---|
版本 | 4 | 0100 |
首部长度 | 5 | 0101 |
服务类型 | 0 | 0000 |
总长度 | 100 | 0000 0000 0110 0100 |
标识 | 1234 | 0000 0100 1011 0110 |
标志 | 0 | 000 |
片偏移 | 0 | 0 0000 0000 0000 |
生存时间 | 8 | 0000 1000 |
协议 | 6 | 0000 0110 |
首部校验和 | 0 | 0000 0000 0000 0000 |
源地址 | 192.168.1.1 | 1100 0000 1010 1000 0000 0001 0000 0001 |
目的地址 | 10.0.0.1 | 0000 1010 0000 0000 0000 0000 0000 0001 |
注意:上表中的首部检验和
值是固定的,因为目前还在计算首部检验和
,该字段在计算前视为0
。
- 将首部所有字段视为 16 位字,并进行二进制求和:
0100 0101 0000 0000 [版本+首部长度+服务类型]
0000 0000 0110 0100 [总长度]
0000 0100 1011 0110 [标识]
0000 0000 0000 0000 [标志+片偏移]
0000 1000 0000 0110 [生存时间+协议]
0000 0000 0000 0000 [首部检验和]
1100 0000 1010 1000 [源地址前16位]
0000 0001 0000 0001 [源地址后16位]
0000 1010 0000 0000 [目的地址前16位]
0000 0000 0000 0001 [目的地址后16位]
对以上所有数进行加法运算得到:
0001 0001 1101 1100 1010
可以看到,我们原先的所有数都是16
位,这里变成了17
位,即发生了进位,此时就要进行第二步进位运算。
- 对求和结果进行进位运算:
0001 0001 1101 1100 1010
拆出后16
位:0001 1101 1100 1010
,多出的位是0001
,也就是1
。对于进位,我们的处理方式为:将其重新加到后16
位中。
也就是:
0001 1101 1100 1010
+
0000 0000 0000 0001
结果为:
0001 1101 1100 1011
注意:该部分在第二次计算后,有可能还会发生进位,此时要重复该过程,直到没有进位。
- 对求和结果进行按位取反:
最后把结果取反:
1110 0010 0011 0100
这个值就是首部检验和
。
接收方接收到数据报后,只需要以相同的方式进行计算,如果结算结果为0
,说明首部没有发生错误。如果为非0
,说明发生了错误,丢弃该报文。
流程图如下:
剩下的目的地址
,源地址
很好理解,不做讲解。
[可变部分 : 填充字段]
可选字段
用来填入一些选项,可以用来支排错,测量等各种安全措施,但是实际上很少被使用。我们不过多讲解该字段。
对于填充
,这是因为可选字段
的长度不确定,而数据报的首部长度必须是4 byte
的整数倍,这个填充
字段,就是为了把可选字段
填充到4 byte
的整数倍的。
ICMP协议
ICMP(Internet Control Message Protocol,互联网控制报文协议)
是 TCP/IP 协议族中的一个重要组成部分,它负责在网络设备之间传递控制信息,例如错误报告、状态信息等。
ICMP报文
被封装在IP数据报
的数据部分,但是其是属于IP层
的协议,而不是高层协议
ICMP
报文格式:
字段 | 长度 | 描述 |
---|---|---|
类型 | 8 位 | 标识 ICMP 报文的类型,例如错误报告、查询等。 |
代码 | 8 位 | 对类型字段的进一步解释,例如错误的具体原因。 |
校验和 | 16 位 | 用于校验 ICMP 报文本身的完整性。 |
而第二行这个区域,会根据不同类型的报文,而有不同的格式。
ICMP
报文主要分为两类:ICMP 差错报告
和ICMP 询问报文
而这两个类型又被细分为更多的类型,在此我举例一部分:
- 终点不可达:当主机或路由器不能交付数据报时,就向源点发送
终点不可达
报文,再根据代码
字段来描述更加具体的原因。
以上示例中,路由器R1
受到数据报后,不知道如何转发,于是丢弃数据报,发送终点不可达
。
- 源点抑制:当主机或路由器因为阻塞而丢弃数据报时,就向源点发送
源点抑制
报文
以上示例中,主机H2
发送拥塞,丢弃报文后向源点发送源点抑制
报文
- 时间超过:当
IP数据报
中的RTT
减为0
时,丢弃该数据报,向源点发送时间超过
报文
以上示例中,数据报在经过R2
时RTT = 0
,,丢弃该数据报,向源点发送时间超过
报文
- 参数问题:当主机或路由接收到
IP数据报
后,会检测其中的校验和
字段,如果发现错误,就丢弃该报文,并向源点发送参数问题
报文
以上示例中,当路由器R1
收到IP数据报
后,检测其中的校验和
字段,如果发现首部出现错误,就丢弃该报文,并向源点发送参数问题
报文
- 改变路由:当主机或路由收到数据报后,发现可以通过更好的路线传送,就丢弃该报文,并向源点发送
改变路由
报文
以上示例中,当路由器R1
收到IP数据报
后,发现可以通过R4
更快传送,就丢弃该报文,并向源点发送改变路由
报文。
以上只是一部分示例,以上全部示例中,各个类型的ICMP 差错报告报文
对应的类型
字段的值如下:
类型 | 终点不可达 | 源点抑制 | 时间超过 | 参数问题 | 改变路由 |
---|---|---|---|---|---|
字段值 | 3 | 4 | 11 | 12 | 5 |
对于ICMP 询问报文
,也有部分类型字段取值:
类型 | 回送请求/回答 | 时间戳请求/回答 |
---|---|---|
字段值 | 8 / 0 | 13 / 14 |
对于询问报文,就不再举例了。
讲完了ICMP
的首部,再来看看ICMP
的数据部分
,其实ICMP差错报告报文
的数据部分格式也是固定的。
格式如下:
取出IP数据报
的首部,以及数据部分的前八个字节,构成ICMP
的数据部分。
主要是要在ICMP
报文中体现一些重要信息,以便源点分析具体原因。而大部分重要信息都在首部中,所以存储了IP数据报
的首部。另外的IP数据报
的数据部分的前八个字节,还包含一些运输层端口相关信息,也被纳入ICMP
的数据部分。