IPv4 报文的格式

IPv4 Header

Version（版本号）（4bits）：值的 4，表示 IPv4。
Header Length（IPv4 Header 的长度）（4bits）：IPv4 Header 不是固定长度的，存在一些可选字段。
- 最小值为 5：代表头部长度为 20Bytes（5×4）。如果没有可选字段，那么它的值就是 5。
- 最大值为 15（2^4-1）：代表头部长度为 60Bytes（15×4）。
TOS（Type of Service，IPv4 承载的上层业务类型）（8bits）：用于 QoS 场景。
- TOC 模式：前 3bit 用于标识优先级（Precedence），4-7bit 分别同于标识时延、吞吐量、可靠性、开销（一个数据包只能有一位生效），最后 1bit 备用。
- DSCP（差分服务代码点）模式：使用 0-5bit 表示 64 种业务类型，最后 2bit 备用。
Total Length（IP Packet 的总长度）（16bits）：最大长度为 65535Bytes（2^16-1）。
Identification（IP Packet 唯一标识）（16bits）：在 IP Fragment and Reassembly（分片与重组）中，用于标识多个分片来自同一个 Packet，以此进行重组。
IP Flags（标志位）（3bits）：标识 IP Packet 是否被分片。
- MF（More Fragments）：为 1 时表示还有更多的分片；
- DF（Don’t Fragment）：为 1 时表示这个数据包不能被分片；
- Reserved（保留）
Fragment Offset（分片偏移量）（13bits）：用于指明分片在原始数据包中位置。Receiver 在进行分片重组时，以此来确定多个分片间的顺序。偏移量的单位为 8Bytes。
TTL（Time to Live，生存时间）（8bits）：指明了 IP Packet 可以经过的路由器数量，防止数据包被无休止的传播。初始值由 Sender 设置（通常为 32 或 64），每经过一个路由器，该字段值就会 -1。如果 TTL 减至 0，那么路由器会丢弃该数据包并发送一个 ICMP 超时消息给 Sender。
Protocol（上层协议类型）（8bits）：标识上层协议的类型，例如：ICMP、TCP、UDP 等等。
Header Checksum（首部校验和）（16bits）：根据 IP Header 所计算出来的校验和，用于确定数据没有被篡改。
Source Address（源 IP 地址）（32bits）：Sender 的 IP 地址，用于回包。
Destination Address（目标 IP 地址）（32bits）：Receiver 的 IP 地址，用于下一跳路由。
Option（选项）（可选，可变长度）：包含一些特定的高级功能和参数，例如：路径记录、时间戳等。
填充（Padding）（可变长度）：用于将 IPv4 Header 的长度调整为 4Bytes 的倍数。

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IP 报文的分片和重组

IP MTU

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IP MTU（Maximum transmission unit，最大传输单元）用于指示 IP Packet 的最大长度，是一种物理限制，即：Network Interface 一次所能传输的最大的 Packet 大小。

所以当一个 IP Packet 的 Total Length > IP MTU 时，就必须要进行分片，然后才能在 Network devices 中传输。L3 以此来适应不同的 L2 网络设备，进而屏蔽了底层网络的差异。

另外，MTU 的大和小并没有直接的好坏之外，更大的 MTU（通常是 9000）意味着更低的额外开销，更小的 MTU（通常是 1500）意味着更低的网络延迟，需要根据实际的应用场景来进行配置。

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IP Fragment and Reassembly

IP Fragment and Reassembly（分片和重组）都是对于 IP Packet 而言的，将 Packet 从术语上进行区分：

IP Datagram：长度大于 IP MTU 的原始数据包。将一个大的 IP Datagram 切分为多个小的 IP Fragments。
IP Fragments：长度等于小于 IP MTU 的数据包分片。它们的 Header 具有以下特征：
1. Identification 都一致。
2. Flags MF 都为 1（more fragments），只有最后一个分片为 0（last fragment）。
3. Fragment Offset 顺序排列。

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举例来说。

第一个表格中：IP Datagram 的 Total Length 为 5140（IP Header 20 + IP Payload 5120）。

DF = 0，允许分包；
MF = 0，未做分包。

第二个表格中：

0-0：IP Fragment Total Length 为 1500（IP Header 20 + IP Payload 1480，Offset 为 0 = 0 / 8）
0-1：IP Fragment Total Length 为 1500（IP Header 20 + IP Payload 1480，Offset 为 185 = 1480 / 8）
0-2：IP Fragment Total Length 为 1500（IP Header 20 + IP Payload 1480，Offset 为 370 = 185 + 1480 / 8）
0-3：IP Fragment Total Length 为 700 （IP Header 20 + IP Payload 680，Offset 为 555 = 370 + 1480 / 8）

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