Author: Xu FC
References:
https://tools.ietf.org/html/rfc791
https://tools.ietf.org/html/rfc1393
http://www.iana.org/assignments/ip-parameters/ip-parameters.xhtml
http://www.bogpeople.com/networking/dscp.shtml
https://blog.csdn.net/u011784495/article/details/71636993
http://www.rhyshaden.com/ipdgram.htm
http://www.tcpipguide.com/free/t_IPDatagramOptionsandOptionFormat-2.htm
IPv4 报文头格式
| 字段 | 长度 (bits) | 含义 |
|---|---|---|
| Version | 4 | IP 协议版本号 |
| Header Length | 4 | IPv4 首部长度 |
| Type of Service | 8 | 区分服务, 与 IP 优先级相关 |
| Total length | 16 | 总长度，包括 header 和 payload |
| Identification | 16 | 标识，数据报的标识，分片数据报的各分片标识相同 |
| Flags | 3 | 标志，与分片相关 |
| Fragment Offset | 13 | 片偏移，与分片相关 |
| Time to Live | 8 | 数据报在传输中的跳数限制 |
| Protocol | 8 | 协议，上一层封装的协议号 |
| Header Checksum | 16 | 首部校验和，只校验首部，不包含数据部分 |
| Source IP Address | 32 | 源 IP |
| Destination IP Address | 32 | 目的 IP |
| Options | 0~40 | 选项字段，必须是 4 字节的倍数,否则以 0 填充 |
| Data | 填充报文 |
Version - 版本号
4 bits
0x4: IPv4， ethernetII type 为 0x0800
0x6: IPv6， ethernetII type 为 0x86dd
Header Length - 首部长度
4 bits
IPv4 首部长度，1 个单位代表 4 个字节，在没有选项的情况下，IPv4 首部长度为 5，即固定长度 20 字节（从 version 到 destination IP address），报头长度必须是 4 字节的整数倍，如果不是，需要填充 PAD 补 0 凑齐。
Type of Service - 服务类型
8 bits
|0|1|2|3|4|5|6|7|
前 6 位 (0~5, RFC 2474) : 区分服务码点 (DSCP - Different Services Code Point), 是 IP 优先级和服务类型字段的组合。
-
第 0~2 位 (优先级从高到低)
- 111：Network Control
- 110：Internetwork Control
- 101：Critic/ECP
- 100：Flash Override
- 011：Flash
- 010：Immediate
- 001：Priority - 优先
- 000：Routine - 常规
-
第 3 位
- 1：Low delay - 低延迟
- 0：Normal delay - 正常延迟
-
第 4 位
- 1：High Throughput - 高吞吐量
- 0：Normal Throughput - 正常吞吐量
-
第 5 位
- 1：High Reliability - 高可靠性
- 0：Normal Reliability - 正常可靠性
后 2 位 (RFC 3168)：拥塞通知 (ECN - Explicit Congestion Notification)。
-
第 6 位
- 1：Minimise monetary cost (RFC 1349)
- 0
-
第 7 位
- 0：必需为 0
IP 优先级表
- CS: 类选择器 (Class Selector) (RFC 2474) - 同一 class 的优先级相同
- AFxy: 保证转发 (Assured Forwarding) (x=class, y=drop precedence) (RFC 2579 - Textual Conventions for SMIv2) - MIB 相关
- EF: 加急转发 (Expedited Forwarding) (RFC 3246) - 快速转发 PHB (Per-Hop Behavior)，低延迟、低抖动、低损耗
| DSCP | Binary | IP Precedence |
|---|---|---|
| CS0 | 000 000 | 0 |
| CS1 | 001 000 | 1 |
| AF11 | 001 010 | 1 |
| AF12 | 001 100 | 1 |
| AF13 | 001 110 | 1 |
| CS2 | 010 000 | 2 |
| AF21 | 010 010 | 2 |
| AF22 | 010 100 | 2 |
| AF23 | 010 110 | 2 |
| CS3 | 011 000 | 3 |
| AF31 | 011 010 | 3 |
| AF32 | 011 100 | 3 |
| AF33 | 011 110 | 3 |
| CS4 | 100 000 | 4 |
| AF41 | 100 010 | 4 |
| AF42 | 100 100 | 4 |
| AF43 | 100 110 | 4 |
| CS5 | 101 000 | 5 |
| EF | 101 110 | 5 |
| CS6 | 110 000 | 6 |
| CS7 | 111 000 | 7 |
Total length - 总长度
16 bits
总长度 = IP 头部长度 + 数据长度
16 bit 能表示的最大长度为 65535 字节（2 的 16 次方 - 1），超过该长度的报文可以通过 IP 分片进行构造。
Identification - 标识
16 bits
每个数据报有唯一标识，每次加1，同一个数据报产生分片，所有分片的标识相同，给分片重组作为依据。
Flags - 标志
3 bits
|0|1|2|
分片标志：
- 第 0 位 - Reserved，没有使用，保持为 0；
- 第 1 位 - DF (Don't Fragment)
- DF = 1：不允许分片
- DF = 0：允许分片
- 第 2 位 - MF (More Fragment)
- MF = 1：表示后面有分片
- MF = 0：表示当前是最后一个分片
Fragment Offset - 片偏移
13 bits
表示在当前分片在数据报的位置，如果没有分片，该字段为 0 ；如果有分片，首片片偏移为 0，偏移的一个单位表示 8 字节，因此非尾片的数据部分需是 8 字节的整数倍，如果当前分片为第二片，首片数据部分为 24 字节，即结束位置为第 24 * 8 - 1 = 191 位，因此当前分片的片偏移为 3，即起始位置为第 3 * 8 * 8 = 192 位。
Time to Live (TTL) - 生存时间
8 bits
表示该报文传输中允许经过的跳数，没经过一个路由器，该值就减 1 ，当 TTL = 0 时，丢弃这个报文，从而阻止报文在网络上无限传输。TTL 最大值为 255 (2 的 8 次方 -1）。
Protocol - 上层协议
8 bits
告诉主机的 IP 层应该将数据交给哪个上层处理过程。
Header Checksum - 首部校验和
16 bits
用于IP首部校验，校验失败则丢弃该报文。
Source IP Address
32 bits
发送端 IP 地址。
Web 应用中，源 IP 不能是受限广播 IP。
Destination IP Address
32 bits
接收端 IP 地址。
255.255.255.255 为受限广播，路由器将丢弃该报文。
x.x.x.255 直接广播，该报文将被发送到 x.x.x.0/24 子网的每一台主机上。
Options - 选项
可选的 IP 报头字段。
选项长度需要是 4 字节的整数倍，非整数倍将 PAD 填充。
- Option type
- Copy flag - 1 bit：
- 0：如果报文分片，该选项将不被复制到每个分片中；
- 1：如果报文分片，该选项将被复制到每个分片中；
- Option class - 2 bits：只使用了 0 和 2
- 0：控制；
- 2：For debugging and measurement；
- Option number - 5 bits：类似于协议号，指明是什么选项；
- Option length - 8 bits：该选项的整个长度，即从 type 起始到 data 结束的长度，1 个单位代表 1 字节；
- Option data - 详细见 RFC 791；
- Copy flag - 1 bit：
| Copy | Class | Option Number | Length (字节) | Description |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | - | EOOP - End of Options List, 无长度和数据，用于标记选项列表的结尾。 |
| 0 | 0 | 1 | - | NOP - No Operation (忽略选项)，无长度和数据， 用于对齐 IP 头中 32 位边界对齐的内部填充。 |
| 1 | 0 | 2 | 11 | SEC - Security（IP 安全性选项），用于指定 IP 数据包的安全性分类。 |
| 1 | 0 | 3 | 可变 | LSR - Loose Source Route (松散路由)，向目的转发时指定路由，网关可以不遵守。 |
| 0 | 2 | 4 | 可变 | TS - Time Stamp（时间戳），与 RR 类似，只是将路由改为时间戳，每个路由器都插入时间戳，用来查看路由之前的传输时长。 |
| 1 | 0 | 5 | E-SEC - Extended Security（扩展安全选项），与基本安全选项一起使用，附加安全标签信息。 | |
| 1 | 0 | 6 | CIPSO - Commercial Security（商业安全） | |
| 0 | 0 | 7 | 可变 | RR - Record Route（记录路由），记录数据报走过的每个路由，长度由始发设备设置，不能被放大，如果到达目的前被填满，则只会记录部分路由。 |
| 1 | 0 | 8 | 4 | SID - Stream ID（流），在不支持流概念的网络中传输 16 位 SATNET 流标识 |
| 1 | 0 | 9 | 可变 | SSR - Strict Source Route（严格源路由），指定路由，路由器必须按照该路由进行转发，并且在转发过程中将源路由替换为路由器地址。 |
| 0 | 0 | 10 | ZSU - Experimental Measurement（实验测量） | |
| 0 | 0 | 11 | MTUP - MTU Probe，用于从非分片数据报传输的网络路径中找到最低 MTU，MTU 值将在 MTU Reply 中返回。已过时。 | |
| 0 | 0 | 12 | MTUR - MTU Reply，已过时。 | |
| 1 | 2 | 13 | FINN - Experimental Flow Control（实验测量控制） | |
| 1 | 0 | 14 | VISA - Experimental Access Control（实验访问控制） | |
| 0 | 0 | 15 | ENCODE（用于围绕 IP 层加密实验） | |
| 1 | 0 | 16 | IMITD - IMI Traffic Descriptor（IMI 流量描述符） | |
| 1 | 0 | 17 | EIP - Extended Internet Protocol（扩展互联网协议） | |
| 0 | 2 | 18 | 12 | TR - Traceroute（跟踪路由），路由器将 ICMP Traceroute 消息发送给始发主机，从而告诉发起方传输路径。RFC 1393。 |
| 1 | 0 | 19 | 10 | ADDEXT - Address Extension（地址扩展），用于载入 IPv4 地址转换为 IPv7 地址所需附加字节。 |
| 1 | 0 | 20 | 4 | RTRALT - Router Alert（路由报警），通知中转路由器更仔细的检查 IP 数据报的内容。 |
| 1 | 0 | 21 | 6~38 | SDB - Selective Directed Broadcast（选择性定向广播模式），为 IPv4 数据报的选项字段包含的一组 IP 地址提供 UDP 传输。 |
| 1 | 0 | 22 | unassigned | |
| 1 | 0 | 23 | DPS - Dynamic Packet State（动态分组状态） | |
| 1 | 0 | 24 | UMP - Upstream Multicast Pkt（上游组播包） | |
| 0 | 0 | 25 | QS - Quick-Start（快速开始） | |
| 0 | 0 | 30 | EXP - RFC 3682 | |
| 0 | 2 | 30 | EXP - RFC 3682 | |
| 1 | 0 | 30 | EXP - RFC 3682 | |
| 1 | 2 | 30 | EXP - RFC 3682 |
EOOL - End of Options List
无长度和数据，用于标记选项列表的结尾。
+--------+
|00000000|
+--------+
Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 0
NOP - No Operation (忽略选项)
无长度和数据， 用于对齐 IP 头中 32 位边界对齐的内部填充。
+--------+
|00000001|
+--------+
Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 1
LSR - Loose Source Route (松散路由)
向目的转发时指定路由，网关可以不遵守。
+--------+--------+--------+---------//--------+
|10000011| length | pointer| route data |
+--------+--------+--------+---------//--------+
Copy - 1 bit: 1
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 3
Length - 8 bits
Pointer - 8 bits
Route data
TS - Time Stamp（时间戳）
与 RR 类似，只是将路由改为时间戳，每个路由器都插入时间戳，用来查看路由之前的传输时长。
为了不暴露内网路径相关信息，防火墙应丢弃携带 TS Option 的报文。
+--------+--------+--------+--------+
|01000100| length | pointer|oflw|flg|
+--------+--------+--------+--------+
| internet address |
+--------+--------+--------+--------+
| timestamp |
+--------+--------+--------+--------+
| . |
.
.
Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 1
Number - 5 bits: 4
Length - 8 bits
Pointer - 8 bits：指向下一个时间戳记录添加位置。
Overflow - 4 bits：由于缺少空间而无法记录时间戳的跳数。
Flag - 4 bits：
0: 只记录时间戳
1: 记录 IP 地址和时间戳
3: 提前指定 IP 地址，当前网络节点匹配该 IP 时，记录该时间戳
RR - Record Route（记录路由）
记录数据报走过的每个路由，长度由始发设备设置，不能被放大，如果到达目的前被填满，则只会记录部分路由。
为了不暴露内网路径，防火墙应丢弃携带 RR Option 的报文。
+--------+--------+--------+---------//--------+
|00000111| length | pointer| route data |
+--------+--------+--------+---------//--------+
Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 7
Pointer - 8 bits: 指向下一个路由记录添加位置。
SSR - Strict Source Route（严格源路由）
指定路由，路由器必须按照该路由进行转发，并且在转发过程中将源路由替换为路由器地址。
+--------+--------+--------+---------//--------+
|10001001| length | pointer| route data |
+--------+--------+--------+---------//--------+
Copy - 1 bit: 1
Class - 2 bits: 0
Number - 5 bits: 9
TR - Traceroute（跟踪路由）
路由器将 ICMP Traceroute 消息发送给始发主机，从而告诉发起方传输路径。
+--------+--------+--------+--------+
|01010010| Length | ID Number |
+--------+--------+--------+--------+
|Outbound Hop Count|Return Hop Count|
+--------+--------+--------+--------+
| Originator IP Address |
+--------+--------+--------+--------+
Copy - 1 bit: 0
Class - 2 bits: 2
Number - 5 bits: 18
