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【计网】（五）网络层首部

2022-08-08 21:35:00 【飞人01_01】

hello。今天来看看新的一章节：网络层。本章节的主要任务就是认识下面这张图（IP数据包）的首部字段。当然网络层在面试中还可能会被问到 IP分片、ping的工作原理，当然在投递开发岗，基本上都是问应用层和传输层的知识，问到网络层的概率相对低一点。

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网络层

网络层的数据包（IP数据包，Packet）是由首部+数据两个部分组成。而这个数据部分，一般情况下都是由传输层传递下来的数据段，但也不排除一些特殊情况，比如有些协议就是从网络层往下传输的，并不会传递到传输层和应用层。

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版本（version）
占4位，只有两个值。一个是 0b0100 即IPv4，另一个是 0b0110 即IPv6。
首部字段（Header Length）
占4位，这个数值×4 = 首部字段长度，因为首部字段的最小长度是固定的20字节，最大长度是60字节。所以这个可变部分的最大值就是40个字节。但是一般情况首部字段就是20字节。
区分服务（differentiated Service Field）
占8位。这个是用于提高网络的服务质量（QoS，Quality of Service）。这里包括3位的优先级字段、1位的保留字段和4位的TOS字段。4位TOS分别表示：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。其中最多有一个能置为1。
比如客户端发送数据给服务端，数据在经过路由器的时候，路由器识别区分服务（例如，区分服务的优先级值为3）的优先级后可以让这部分数据优先通过。
总长度（Total Length）
占16位。指的是整个IP数据包的长度，是以字节为单位的。即首部+数据部分的总长度不超过 65535字节。
在上一篇文章，也简单提及过分片的原因，就是IP数据包的长度最大是65535字节，而一个数据帧的数据部分一般情况是1500字节。所以在网络层往数据链路层传递数据时，需要进行“切分数据”，也就是常说的IP分片。
接下里介绍的标识、标识、片偏移就是在描述如何分片。
标识（Identification）
占16位。其范围在0-65535之间。初始值是系统随机生成的，每发送一个数据包，其值就会+1。当达到65565后，再次+1就会回归到0。这个数值在分片时，会被复制到每个分片中，因此同一数据包的标志值都是一样的，就能表明这些分片来自同一个数据包。
标志（Flags）
占3位。
第1位（Reserved Bit）保留不用。
第2位是 Don’t Fragment 即是否不能分片，值=1时，表示这个IP数据包不能分片，值=0时，表示这个IP数据包可以分片。
第3位是 More Fragment 即 后面是否还有分片。简单点说就是用来标志当前分片是不是最后一片了。值=1，表示后面还有其他分片，值=0，表示后面没有其他分片了。
片偏移（Fragment Offset）

占13位。是分片相对于原始IP数据报开始处的偏移量。（指的是数据部分）

而实际的字节偏移量是 片偏移 * 8。所以除了最后一个分片以外，其他分片的数据部分的长度必须是8的倍数。

举个例子，假设当前分片不是最后一片，且片偏移=100，则表示这个分片是从原始IP数据报的数据部分的 100 * 8 = 800字节处开始的。

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生存时间（Time To Live， TTL）
占8位。用于限制IP数据报所经过的路由器数。不同的操作系统，TTL值也是不同的。每个路由器在转发数据之前，会先将TTL值-1，如果TTL值=0后，还没有到达目标主机，则路由器将不会进行转发，会直接返回ICMP差错报文（目标不可达）。
这个TTL存在的意义在于 防止路由器进行死循环转发数据，即A、B两路由器一直互相传递，占用带宽。
协议（Protocol）
占8位。用于区分上层协议，表明所封装的数据使用了什么协议。常见的如下：
首部校验和（Header Checksum）
占16位。是由发送端进行填充，用于检查首部是否有错误。接收端用CRC算法检验IP数据报首部在传输过程中是否出现了差错，且这个只会检查首部，不会管数据部分的。
源IP地址、目标IP地址
这个大家应该都比较熟悉，一个IP地址占32位。用来指定发送端和接收端的IP。