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tags: [计算机网络, IPv4, IP首部, TTL, MTU, 分片]
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create time: 2026-05-17 23:40
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# IPv4 首部与分段重组
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## 概述
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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。
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## IPv4 首部格式（32-bit fields）
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Version(4b) │ IHL(4b) │ DSCP/ECN(8b) │ Total Length(16b) │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ Identification(16b) │DF│ MF │Offset(13b)│
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ TTL(8b) │ Protocol(8b) │ Header Checksum │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ Source Address (32b) │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ Destination Address (32b) │
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├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
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│ Options (variable) │
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│ ...padding... │
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└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
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```
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### 各字段详解
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| 字段 | 大小 | 说明 |
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| **Version** | 4 bit | 版本号，IPv4 = `0100` |
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| **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） |
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| **DSCP** (Differentiated Services Code Point) | 6 bit | QoS 优先级标记；前 3 bit 为 ECN（Explicit Congestion Notification）|
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| **Total Length** | 16 bit | 整个 IP 包总长（含首部），最大 65535 字节 |
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| **Identification** | 16 bit | 唯一标识符。同一原始包的分片共享此 ID |
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| **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" |
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| **MF** (More Fragments) | 1 bit | 置 1 表示后面还有分片；最后一个分片 MF=0 |
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| **Fragment Offset** | 13 bit | 该分片在原始数据中的偏移量（以 8 字节为单位） |
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| **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 |
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| **Protocol** | 8 bit | 上层协议编号：TCP=6, UDP=17, ICMP=1, IGMP=2 |
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| **Header Checksum** | 16 bit | 仅校验首部的 CRC，**不校验 payload** |
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| **Source/Dest Address** | 各 32 bit | 源和目的 IP 地址 |
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### 最小 vs 最大 IP 包
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最小 IP 包: 20B 首部 + 0B 数据 = 20 bytes
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最小以太网帧承载: 20B 首部 + 8B ICMP Echo = 28 bytes
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→ 加上 14B EthHdr + 4B FCS = 46 bytes ≥ MTU 下限 ✅
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最大 IP 包: 20B 首部 + 65515B 数据 = 65535 bytes
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受限于链路 MTU: 通常 1500B Payload → 最大常用包 1520 bytes
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## TTL 深度解析
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### TTL 的常见误解
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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。
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```mermaid
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flowchart LR
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A["Source<br/>TTL=64"] -->|"路由器减1"| B["TTL=63"]
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B -->|"路由器减1"| C["TTL=62"]
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C -->|"路由器减1"| D["TTL=61"]
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D -->|"到目的地"| E["TTL=60<br/>继续处理"]
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style A fill:#DDA0DD,color:#000
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style E fill:#98FB98,color:#000
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```
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### 查看 TTL 的实践
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```bash
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# ping 默认从 64 或 128 开始，减去到达时的 TTL ≈ 经过了跳数
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$ ping -c 1 example.com
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PING example.com (93.184.216.34): 56 data bytes
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64 bytes from ... icmp_seq=0 ttl=55 time=23.1 ms
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# 64 - 55 = 9 跳
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# Windows 默认 TTL=128
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$ tracert example.com
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1 1 ms 1 ms 1 ms 192.168.1.1
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2 2 ms 2 ms 2 ms 10.0.0.1
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...
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9 23 ms 23 ms 23 ms 93.184.216.34
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```
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### Linux 系统初始 TTL
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```bash
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$ sysctl net.ipv4.ip_default_ttl
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net.ipv4.ip_default_ttl = 64
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# macOS / Windows 默认 128
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# 某些嵌入式设备可能用 32 或 60
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```
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## MTU 与分片（Fragmentation）
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### 什么是 MTU？
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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**。
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| 链路类型 | 典型 MTU | Jumbo Frame |
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|----------|---------|-------------|
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| Ethernet | 1500 bytes | 9000 bytes |
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| Wi-Fi (802.11n/ac/ax) | 1500 | ❌ 不支持 |
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| PPPoE (宽带拨号) | 1492 (预留 8B PPPoE头) | — |
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| IPv6 | 1280 (硬性最小) | 可选 |
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| GRE 隧道 | 1476 (预留 24B GRE头) | — |
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| VXLAN | 1450 (预留 50B VxLAN头) | — |
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### 分片规则
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当 IP 包 > MTU 且 DF=0 时，路由器将其切分为多个分片：
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```
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原始 IP 包 (Payload = 3000 bytes) ── MTU=1500 ──→
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分片 1: Headers + [Bytes 0..1479] Offset=0 MF=1
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分片 2: Headers + [Bytes 1480..2959] Offset=185*8=1480 MF=1
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分片 3: Headers + [Bytes 2960..2999] Offset=370*8=2960 MF=0 (最后一片)
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↑ offset × 8 = 实际偏移
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```
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**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。
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### 分片的优缺点
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| 优点 | 缺点 |
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|------|------|
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| 允许大应用层数据穿越小 MTU 链路 | 增加路由器的 CPU 负担 |
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| 透明（对应用层无感知） | 任一丢包导致整个原始包失效 |
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| — | 攻击者可以利用分片做碎片攻击（Teardrop 等） |
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| — | IPv6 已取消中间路由器分片，改由端到端 PMTUD |
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### PMTUD（Path MTU Discovery）
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现代网络推荐使用 **路径 MTU 发现**而非分片：
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```mermaid
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sequenceDiagram
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participant Src as 源主机
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participant R as 瓶颈路由器(MTU=1400)
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participant Dst as 目标服务器
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Src->>Dst: IP Packet (size=1500, DF=1)
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Note over Src: DF(Do Not Fragment)=1
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R->>R: MTU=1400 < 1500, DF=1 → 无法分片!
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R->>Src: ICMP Type 3 Code 4 "Fragmentation Needed"
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Note over Src: Path MTU = 1400 - IP头(20) - Eth(14) = 1366
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Src->>Dst: IP Packet (size=1366, DF=1) ✅
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Dst-->>Src: ACK ✅
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```
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```bash
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# 检查当前 PMTUD 状态
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$ ip route show | grep mtu
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default via 192.168.1.1 dev eth0 mtu 1500
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# Linux 内核 PMTUD 控制
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$ sysctl net.ipv4.tcp_mtu_probing
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net.ipv4.tcp_mtu_probing = 0 # 0=关闭, 1=低速率, 2=始终开启
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```
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## 协议编号对照表
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| Protocol 值 | 名称 | 用途 |
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|------------|------|------|
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| 1 | ICMP | 网络诊断（ping、traceroute） |
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| 2 | IGMP | 组播管理 |
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| 6 | TCP | 可靠面向连接传输 |
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| 17 | UDP | 无连接不可靠传输 |
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| 47 | GRE | 虚拟私有隧道 |
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| 50 | ESP | IPsec 加密封装安全载荷 |
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| 51 | AH | IPsec 认证头 |
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| 89 | OSPF | 动态路由协议 |
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## 关联笔记
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- [[hhs/NETWORK/CIDR与子网划分]] — IP 地址的子网分配方法
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- [[hhs/NETWORK/NAT原理与应用]] — NAT 如何处理 IP 包的 Checksum
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- [[hhs/NETWORK/ICMP与Ping-Traceroute]] — ICMP 协议细节
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