计网Lesson10 - 网络层之IP协议分析

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网络层协议

IPv4 数据报格式

IPv4 数据报首部格式

版本（Version）

• 长度为 $4bit$，用于表示 IP 协议的版本。
  $0b0100$：$IPv4$         $0b0110$：$IPv6$

首部长度（Header Length）

• 长度为 $4bit$，将长度乘以 $4$ 才是最终长度，用来表示IPv4数据报的首部长度。
  • 最小值取 $0b0101=5_{10}$，首部长度最少为 $20$ 字节。
  • 最大值取 $0b1111=15_{10}$，首部长度最多为 $60$ 字节。

区分服务（Differentiated Services Field）

• 长度为 $8bit(1B)$
• 用于提高网络服务质量。

可选字段

• 长度从 $1$ 字节到 $40$ 字节不等，用来支持排错、测量以及安全措施等功能。
• 虽然可选字段增加了 $IPv4$ 数据报的功能，但这同时也使得 $IPv4$ 数据报的首部长度成为可变的，这就增加了因特网中每⼀个路由器处理 $IPv4$ 数据报的开销。

填充

• 当首部长度不是 $4$ 字节的整数倍时，我们用 $0$ 填充。

总长度（Total Length）

• 长度为 $16bit(2B)$
• 首部 + 数据的总长度，跟首部长度不一样，不需要乘 $4$
• 最大值是 $65535(2^{16})$，单位为字节。
  

标识、标志、片偏移

• 由于帧的数据不能超过1500字节，所以过大的IP数据包，需要分成片（fragments）传输给数据链路层。
• 每一片都有自己的网络层首部（IP首部）

标识(Identification)

• 占 $16bit(2B)$
• 分包时，网络层会对同一数据包的片打上同一标识。
• 有⼀个计数器专门管理数据包的ID，每发出⼀个数据包，ID就加1。

标志(Flags)

• 占 $3bit$
• 最高位为保留位，必须设置为 $0$
• 中间位（Don’t Fragment，DF）
  • DF = 1 表示不许分片；
  • DF = 0 表示可以分片。
• 最低位（More Fragment，MF）
  • MF = 1 表示后面还有分片；
  • MF = 0 表示后面没有分片。

片偏移（Fragment Offset）

• 占 $13bit$
• 片偏移乘以8：字节偏移。
• 每⼀片的长度⼀定是8的整数倍。

片偏移指的是每个数据应该从哪个位置开始写。
由于之前的标志占了 $3bit$，所以 $13bit$ 的偏移长度肯定不够表示 $16bit$ 的总长度，那么就想到一个办法：右移 $3$ 位。但是这样就得保证数据片长度得是 $8$ 的倍数。

生存周期（Time To Live，TTL）

• 占 $8bit$
• 每个路由器在转发之前会将TTL减1，⼀旦发现TTL减为0，路由器会返回错误报告。
  

协议

• 占 $8bit$，用来指明IPv4数据报的数据载荷是何种协议数据单元PDU。也就是说这个数据包要交给谁。
  

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• 首先，分解数据报： $1580=1560+20$，说明数据部分时 $1560B$
• 分第一片：$数据+20<=800$，由于片偏移的存在，数据得是 $8$ 的整数倍，所以数据长 $776B$；剩下数据 $784B$
• 分解第二片：$数据+20<=800$，所以数据长度还是 $776B$，剩下数据 $8B$
• 那么第二片的总长度字段为 $776+20=796$，由于后面还有同一包的数据片，所以 MF = 1。

答案为 $B$