【C++/Linux】TinyWebServer前置知识之IP协议详解

ip（internet protocol，网际互连协议）是tcp/ip协议族中最为关键的协议之一。所有tcp、udp、icmp以及igmp的数据传输均以ip数据报的形式进行。

报文格式

版本字段占据4位，用于标识IP协议的版本。通信双方必须使用相同版本的IP协议。目前主流的是IPv4（即版本号为4），未来将逐步过渡到IPv6（版本号为6）。

首部长度占4位，取值范围为0~15，单位为4字节。由于IP首部固定长度为20字节，因此该字段最小值为5（二进制表示为0101）。当其值为最大值15（二进制1111）时，表示首部长度达到60字节（即15个32位字长）。若首部长度不是4字节的整数倍，则需通过填充字段补齐。这意味着IP数据报的数据部分始终从4字节的整数倍位置开始。虽然首部长度上限设为60字节有时可能不够用，但这是为了减少额外开销。最常见的首部长为20字节（即首部长度字段为0101），此时不使用任何选项。

区分服务字段占8位，旧称服务类型字段，实际未被广泛使用。1998年IETF将其更名为DS（Differentiated Services），只有在启用区分服务时该字段才生效，通常情况下并不使用。

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总长度字段占16位，表示整个IP数据报的长度（包括首部和数据），单位为字节。因此最大长度可达2^16-1=65535字节。

标识字段占16位，由IP软件维护一个计数器，每生成一个新数据报，计数器加1，并赋值给该字段。当数据报因超过网络MTU而分片时，此值会被复制到每个分片的标识字段中，以便接收端能正确重组原始数据报。

标志字段占3位，其中仅低两位有效。最低位MF（More Fragment）为1时表示还有后续分片；为0则表示当前分片是最后一个。中间一位DF（Don't Fragment）为1时禁止分片，只有DF=0时才允许分片。

片偏移字段占13位，表示某一分片在原数据报中的相对起始位置，相对于用户数据起点。片偏移以8字节为单位，除了最后一个分片外，其余分片长度必须是8字节的整数倍。

生存时间（TTL）字段占8位，用来控制数据报在网络中的存活时间，防止无法交付的数据报无限循环，浪费网络资源。初始值由源主机设置，单位为秒。每经过一个路由器，若处理时间不足一秒，则TTL减1，当TTL为0时丢弃该数据报。

协议字段占8位，用于指示数据报携带的数据应交给哪个上层协议处理，常见如TCP或UDP（腾讯安全工程师笔试常考内容）。

IPv4地址结构如下：

IP地址::={<网络号>, <主机号>}

为便于记忆，IP地址被划分为四个部分，每部分8位（0~255），用点号分隔，称为点分十进制表示法。

A类IP地址范围：1.0.0.1~126.255.255.254（二进制形式：00000001 00000000 00000000 00000001 ~ 01111110 11111111 11111111 11111110）

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B类IP地址范围：128.1.0.1~191.254.255.254（二进制形式：10000000 00000001 00000000 00000001 ~ 10111111 11111110 11111111 11111110）

C类IP地址范围：192.0.1.1~223.255.254.254（二进制形式：11000000 00000000 00000001 00000001 ~ 11011111 11111111 11111110 11111110）

D类IP地址范围：224.0.0.1~239.255.255.254（二进制形式：11100000 00000001 00000001 00000001 ~ 11101111 11111111 11111111 11111110）

尽管A类地址理论上可覆盖0~127网段，但由于部分IP被保留作特殊用途，实际可用范围为1~126。

排除特殊IP后的A类地址范围如下图所示。

IP数据报分片机制是指IP协议在传输过程中将大数据报拆分为多个小数据报，到达目标系统后重新组装。由于不同物理网络对传输单元的最大长度（MTU）有不同限制，例如以太网MTU为1500字节，因此当IP数据报加上链路层头部后超出MTU时，就需要进行分片。这一过程既可能发生在源主机，也可能发生在传输路径中的路由器上。不同网络的MTU差异可能导致多次分片。最终的重组只会在目的主机的IP层完成。

IP模块工作流程如下：

从右往左分析流程：

首先从网络驱动程序（即网卡）获取IP信息并存入IP输入队列。

对接收到的数据报头部进行CRC校验，确认无误后继续处理。

判断目标IP是否属于本机所在的网段。若是，则将数据发送至对应主机，主机根据端口号决定交付给哪个应用程序；若不是，则进行转发操作。

检查该数据报是否允许转发，若允许则转发，否则丢弃。

IP输出队列中存放着待发送的IP数据报，包括ICMP、TCP、UDP等类型的报文。

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