cs-note/hhs/NETWORK/03-网络层/01-IPv4首部与分段重组.md

---
tags: [计算机网络, IPv4, IP首部, TTL, MTU, 分片]
create time: 2026-05-17 23:40
---

# IPv4 首部与分段重组

## 概述

IPv4 数据包是互联网的基本传输单元。理解其首部结构，有助于排查 MTU 问题、分析抓包工具输出、以及理解 IP 级故障恢复机制。

## IPv4 首部格式（32-bit fields）

```
Version(4b) │ IHL(4b) │ DSCP/ECN(8b) │     Total Length(16b)     │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│          Identification(16b)       │DF│      MF     │Offset(13b)│
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│         TTL(8b)    │   Protocol(8b)    │     Header Checksum   │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                      Source Address (32b)                       │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                   Destination Address (32b)                     │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                         Options (variable)                      │
│                              ...padding...                      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

### 各字段详解

| 字段 | 大小 | 说明 |
|------|------|------|
| **Version** | 4 bit | 版本号，IPv4 = `0100` |
| **IHL** (Internet Header Length) | 4 bit | 首部长度，单位 4 bytes。**最小值 5**（20 bytes），最大 15（60 bytes） |
| **DSCP** (Differentiated Services Code Point) | 6 bit | QoS 优先级标记；前 3 bit 为 ECN（Explicit Congestion Notification）|
| **Total Length** | 16 bit | 整个 IP 包总长（含首部），最大 65535 字节 |
| **Identification** | 16 bit | 唯一标识符。同一原始包的分片共享此 ID |
| **DF** (Don't Fragment) | 1 bit | 置 1 则禁止分片；路由器不能分片的包如果 DF=1，直接丢弃并返回 ICMP "Fragmentation Needed" |
| **MF** (More Fragments) | 1 bit | 置 1 表示后面还有分片；最后一个分片 MF=0 |
| **Fragment Offset** | 13 bit | 该分片在原始数据中的偏移量（以 8 字节为单位） |
| **TTL** (Time To Live) | 8 bit | 生存时间，每经过一个路由器减 1，归零时丢弃并发送 ICMP Timeout |
| **Protocol** | 8 bit | 上层协议编号：TCP=6, UDP=17, ICMP=1, IGMP=2 |
| **Header Checksum** | 16 bit | 仅校验首部的 CRC，**不校验 payload** |
| **Source/Dest Address** | 各 32 bit | 源和目的 IP 地址 |

### 最小 vs 最大 IP 包

```
最小 IP 包:        20B 首部 + 0B 数据 = 20 bytes
最小以太网帧承载:  20B 首部 + 8B ICMP Echo = 28 bytes
                    → 加上 14B EthHdr + 4B FCS = 46 bytes ≥ MTU 下限 ✅

最大 IP 包:        20B 首部 + 65515B 数据 = 65535 bytes
受限于链路 MTU:   通常 1500B Payload → 最大常用包 1520 bytes
```

## TTL 深度解析

### TTL 的常见误解

很多人以为 TTL 的单位是秒。其实在 IPv4 中它是**跳数计数器**——每经过一个路由器（三层转发节点）减 1，不是按时间递减。

```mermaid
flowchart LR
    A["Source<br/>TTL=64"] -->|"路由器减1"| B["TTL=63"]
    B -->|"路由器减1"| C["TTL=62"]
    C -->|"路由器减1"| D["TTL=61"]
    D -->|"到目的地"| E["TTL=60<br/>继续处理"]
    
    style A fill:#DDA0DD,color:#000
    style E fill:#98FB98,color:#000
```

### 查看 TTL 的实践

```bash
# ping 默认从 64 或 128 开始，减去到达时的 TTL ≈ 经过了跳数
$ ping -c 1 example.com
PING example.com (93.184.216.34): 56 data bytes
64 bytes from ... icmp_seq=0 ttl=55 time=23.1 ms
# 64 - 55 = 9 跳

# Windows 默认 TTL=128
$ tracert example.com
  1     1 ms     1 ms     1 ms  192.168.1.1
  2     2 ms     2 ms     2 ms  10.0.0.1
  ...
  9     23 ms    23 ms    23 ms  93.184.216.34
```

### Linux 系统初始 TTL

```bash
$ sysctl net.ipv4.ip_default_ttl
net.ipv4.ip_default_ttl = 64

# macOS / Windows 默认 128
# 某些嵌入式设备可能用 32 或 60
```

## MTU 与分片（Fragmentation）

### 什么是 MTU？

MTU（Maximum Transmission Unit）是链路层允许的最大 IP 包载荷大小。超出 MTU 的包需要被**分片**。

| 链路类型 | 典型 MTU | Jumbo Frame |
|----------|---------|-------------|
| Ethernet | 1500 bytes | 9000 bytes |
| Wi-Fi (802.11n/ac/ax) | 1500 | ❌ 不支持 |
| PPPoE (宽带拨号) | 1492 (预留 8B PPPoE头) | — |
| IPv6 | 1280 (硬性最小) | 可选 |
| GRE 隧道 | 1476 (预留 24B GRE头) | — |
| VXLAN | 1450 (预留 50B VxLAN头) | — |

### 分片规则

当 IP 包 > MTU 且 DF=0 时，路由器将其切分为多个分片：

```
原始 IP 包 (Payload = 3000 bytes) ── MTU=1500 ──→

分片 1:  Headers + [Bytes 0..1479]   Offset=0   MF=1
分片 2:  Headers + [Bytes 1480..2959] Offset=185*8=1480  MF=1
分片 3:  Headers + [Bytes 2960..2999] Offset=370*8=2960  MF=0 (最后一片)
                                         ↑ offset × 8 = 实际偏移
```

**关键限制：** 除最后一个分片外，每个分片的 payload 必须是 **8 字节的整数倍**。这就是为什么 offset 字段以 8 字节为单位。

### 分片的优缺点

| 优点 | 缺点 |
|------|------|
| 允许大应用层数据穿越小 MTU 链路 | 增加路由器的 CPU 负担 |
| 透明（对应用层无感知） | 任一丢包导致整个原始包失效 |
| — | 攻击者可以利用分片做碎片攻击（Teardrop 等） |
| — | IPv6 已取消中间路由器分片，改由端到端 PMTUD |

### PMTUD（Path MTU Discovery）

现代网络推荐使用 **路径 MTU 发现**而非分片：

```mermaid
sequenceDiagram
    participant Src as 源主机
    participant R as 瓶颈路由器(MTU=1400)
    participant Dst as 目标服务器

    Src->>Dst: IP Packet (size=1500, DF=1)
    Note over Src: DF(Do Not Fragment)=1
    R->>R: MTU=1400 < 1500, DF=1 → 无法分片!
    R->>Src: ICMP Type 3 Code 4 "Fragmentation Needed"
    Note over Src: Path MTU = 1400 - IP头(20) - Eth(14) = 1366
    Src->>Dst: IP Packet (size=1366, DF=1) ✅
    Dst-->>Src: ACK ✅
```

```bash
# 检查当前 PMTUD 状态
$ ip route show | grep mtu
default via 192.168.1.1 dev eth0 mtu 1500

# Linux 内核 PMTUD 控制
$ sysctl net.ipv4.tcp_mtu_probing
net.ipv4.tcp_mtu_probing = 0  # 0=关闭, 1=低速率, 2=始终开启
```

## 协议编号对照表

| Protocol 值 | 名称 | 用途 |
|------------|------|------|
| 1 | ICMP | 网络诊断（ping、traceroute） |
| 2 | IGMP | 组播管理 |
| 6 | TCP | 可靠面向连接传输 |
| 17 | UDP | 无连接不可靠传输 |
| 47 | GRE | 虚拟私有隧道 |
| 50 | ESP | IPsec 加密封装安全载荷 |
| 51 | AH | IPsec 认证头 |
| 89 | OSPF | 动态路由协议 |

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/CIDR与子网划分]] — IP 地址的子网分配方法
- [[hhs/NETWORK/NAT原理与应用]] — NAT 如何处理 IP 包的 Checksum
- [[hhs/NETWORK/ICMP与Ping-Traceroute]] — ICMP 协议细节