IP 协议¶

Internet Protocol（IP）协议是一个 网络层 的 通信协议。

包的封装：

IPv4¶

参考维基百科-Internet Protocol version 4¹

1. 地址¶

TODO

2. 包结构¶

每一个 IP 包由两部分组成：报头（Header）和数据（Data）。

1> 报头¶

Version：

协议版本。

对于 IPv4，值为 4。
Internet Header Length（IHL）：

报头的大小，以 32-bit 字作为单位。

IPv4 的头的大小是可变的（取决于 Options 字段），如果 Options 字段为空，那么 IHL 即为 \(160\ \text{bits}\ /\ 32\ \text{bits} = 5\)。
Differentiated Services Code Point（DSCP）：

服务类型，实时数据流（例如 Voice over IP（VoIP））会使用这个字段。

Originally defined as the type of service (ToS), this field specifies differentiated services (DiffServ).[33] Real-time data streaming makes use of the DSCP field. An example is Voice over IP (VoIP), which is used for interactive voice services.
Explicit Congestion Notification（ESN）：

什么什么，端到端的网络协商？

This field allows end-to-end notification of network congestion without dropping packets.[34] ECN is an optional feature available when both endpoints support it and effective when also supported by the underlying network.
Total Length：

16-bit 整数，表示整个包的大小（包含报头和数据），以 Byte 为单位。
Identification：

标识符，同一个 IP datagram 的一组 Fragments 此字段值相同。
Flags：

三个 1-bit 标志位
- bit 0：保留位，无意义，必须为 0
- bit 1：Don't Fragment（DF）
  
  如果此位为 1，而当前包的大小在某个路由处超出 MTU，需要分包，就会直接被丢弃。
  
  会被用于目标无法将包重组的情况，或者用于 Path MTU Descovery（PMTUD） 来获取路径上的 MTU 信息。
- bit 2：More Fragment（MF）
  
  用于表示后面还有没有更多的 fragment。
Fragment offset：

用来标识此 fragment 位于完整数据中的位置（自开始起），单位为 8 Bytes（也正因此，fragment 的大小必须是 8 的倍数）。
Time to live（TTL）：

也叫做最大跳数，没经过一跳，这个值就会被减一，到 0 时，包就会被丢弃。
Protocol：

用来标识内部的数据使用的协议，数字与协议对应关系。
Header checksum：

用于头的错误检测。

路由器收到一个包后会核验 checksum 是否一致，如果不一致就会丢弃掉。
Source address / Destination address：

源地址和目标地址。
Options：

一些可选的数据，带有一些特定的标志位和字段位。

2> 数据¶

就是数据，由其他协议（如 ICMP、TCP、UDP 等）打的包。

3. 分段与重组¶

在网络中，不同的设备除了传输速度不同，同时 最大传输单元（Maximum Transmittion Unit，MTU）可能也不同，当传输的数据长度大于 MTU 时，就会需要将其分段。

在 IPv4 中，此功能的实现被放在网络层，并由路由器完成；而在 IPv6 中，不允许路由器进行分段，主机必须通过在发送数据前进行 PMTUD，并直接分割出合适的大小发送。

1> 分段¶

当一个路由器收到一个包时，它会调查目标地址并决定输出接口以及对应接口的 MTU。

如果包大小大于 MTU：

DF 为 1：直接丢弃
DF 为 0：执行分段

在分段时，每一段的大小将会是 MTU 减去 IP 报头大小（20～60 字节，一般为 20），然后路由器会将每一个分段封入单独的包，重新计算并设置对应包的 MF、Fragment offset、Header checksum。

有可能存在数据在一个路由器被分段，而到达下一个路由器的时候又被更进一步的分段的情况。

2> 重组¶

接收者可以通过一下方式来判断某一个包是否是一个分段：

MF 为 1（对于非最后一个分段）
Fragment offset 非 0（对于非第一个分段）

接收者会依据 Src and Dst address、Protocol、Identification 来识别多个分段是否属于同一个包，收到最后一个包时（MF 为 0）就可以计算原数据包的整体大小（最后一个分段的 offset 乘 8 再加上最后一个分段的数据的大小），然后将包按照正确的序列（根据 offset 得到）进行拼接。

IPv6¶