TCP/IP（三）：IP 协议——数据报、头部与分片

写在前面

上一篇把链路层讲完了：同一子网里，靠 MAC 地址 + 以太网帧 + 交换机 + ARP，两台设备就能把数据搬过去。但 MAC 只管"一跳"，跨网、跨子网、从北京到纽约，链路层就无能为力了。

升级到网络层，主角登场：IP（Internet Protocol）。这一篇先不谈地址怎么划分、路由怎么走（那是下一篇的事），而是把 IP 协议本身讲透——它的设计哲学、IPv4 数据报头部每一个字段、TTL 怎么防环路、分片怎么和 MTU 较劲，最后带一眼 IPv6 的概貌。

一、IP 的设计哲学：尽力而为

IP 的脾性可以用三个词概括：无连接、不可靠、尽力而为 。

无连接（connectionless）：发包前不先建电路、不先握手，抬手就发；
不可靠（unreliable）：不保证送达、不保证顺序、不保证不重复；
尽力而为（best-effort）：会尽量投递，但出了问题不负责善后——丢了就丢了，乱序就乱序。

这听起来很糟，其实是有意为之。可靠性、顺序、去重这些复杂活，IP 全部甩给上层（一般是 TCP）去干。IP 只负责一件事：看目的地址，把包往目的方向推一跳。这样网络层保持极简、极快，复杂逻辑只在端点上做——这正是互联网能"大而糙地"扩到全球的秘诀。

顺带一提 ICMP（Internet Control Message Protocol），它是 IP 的"信使"。IP 自己不报告错误，遇到问题（TTL 超时、目的不可达、需要分片但 DF 置位）就回一个 ICMP 报文告诉源端。日常用的 ping、traceroute 都靠它。

二、IPv4 数据报头部

IP 层的 PDU 叫数据报（datagram）。一个 IPv4 数据报由头部 + 载荷组成，头部固定部分 20 字节，最长 60 字节（带选项）。RFC 791 定义的头部布局：

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    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    0 |Version|  IHL  | DSCP  | ECN   |      Total Length             |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    4 |       Identification          |Flags|   Fragment Offset       |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    8 |    TTL        |   Protocol    |    Header Checksum            |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   12 |                  Source IP Address                            |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   16 |                Destination IP Address                         |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   20 |                      Options (if any)                         |
      +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

逐字段拆解：

字段	位宽	说明
Version	4 位	IP 版本，IPv4 这里是 `4`
IHL	4 位	头长，以 4 字节为单位。最小 `5`（=20 字节，无选项），最大 `15`（=60 字节）。它决定了载荷从哪个字节开始
DSCP	6 位	差分服务码点，用于 QoS 打标记优先级
ECN	2 位	显式拥塞通告，路由器用它给端点"我拥塞了"的信号
Total Length	16 位	整个数据报（头部 + 载荷）的字节数，理论最大 65535
Identification	16 位	标识符，分片重组时用来认"这几片本来是一家"
Flags	3 位	bit0 保留（置 0）；bit1 DF（Don’t Fragment）；bit2 MF（More Fragments）
Fragment Offset	13 位	本片在原数据报中的位置，以 8 字节为单位
TTL	8 位	生存时间，每经一跳减 1
Protocol	8 位	上层协议号，告诉对面"载荷交给谁"（见下表）
Header Checksum	16 位	只校验头部，不校验载荷
Source IP	32 位	源地址
Destination IP	32 位	目的地址
Options	可变	几乎不用，多数路径会忽略或直接丢

Protocol 字段 常见取值（IANA 维护完整列表）：

协议号	协议
1	ICMP
2	IGMP
6	TCP
17	UDP
41	IPv6 封装
47	GRE
50	ESP（IPsec）
51	AH（IPsec）
58	ICMPv6
89	OSPF

几个容易记错的点：

IHL 数的是 4 字节单位，不是字节。所以 5 代表 20 字节、15 代表 60 字节，别和 Total Length 搞混；
Header Checksum 只管头部，载荷的完整性交给上层（TCP 有自己的校验和、UDP 在 IPv4 里校验和可选但实际都开）；
Options 基本退出历史舞台：带选项的包常被路径上的设备丢弃或特殊处理，安全设备尤其敏感。

三、TTL：防环路的保险丝

TTL（Time To Live）名字像"时间"，其实是跳数。规则极简：

源端给个初值（常见 64、128 或 255，因系统而异）；
每经过一台路由器，TTL 减 1；
减到 0 还没到目的地，路由器丢弃该包，并回一个 ICMP Time Exceeded 给源。

它的核心使命是防止环路包永远转圈。要是没有 TTL，一个配错路由的包可能在两台路由器之间无限循环，把链路带宽吃光。

不同系统的默认 TTL 不一样，常被拿来粗略判断对端系统（不完全可靠，可被改）：

系统	常见默认 TTL
Linux / macOS	64
Windows	128
网络设备（路由器等）	255

这正是 traceroute（Windows 下叫 tracert）的原理：故意发 TTL = 1、2、3 … 的探测包，每一跳的路由器因为 TTL 超时回 ICMP Time Exceeded，把返回的 ICMP 源地址记下来，就描出了整条路径。

四、分片与 MTU

上一篇说过，以太网的 MTU = 1500 字节（载荷上限）。可 IP 数据报最长能到 65535 字节。当 IP 包大于出口链路的 MTU 时，就要分片（fragmentation）：路由器把载荷切成几片，每片都套上一个完整的 IP 头，各自独立转发。

分片相关三个字段一起用：

Identification：原数据报被切出来的所有分片，共用同一个 Identification，让目的端能认出"这几片是一家的"；
MF（More Fragments）：除最后一片外都是 1，最后一片是 0——告诉目的端"分片到这就齐了"；
Fragment Offset：本片数据在原载荷中的偏移，以 8 字节为单位。

重组（reassembly）只在目的端做，中间路由器不重组。目的端靠 (源 IP, 目的 IP, Protocol, Identification) 四元组把同一组的分片归到一起，按 Offset 拼回去；MF = 0 的那片到齐、且中间没有空洞，就算拼完。

为什么 Offset 以 8 字节为单位？因为 13 位的 Offset 域，乘以 8 才能覆盖 16 位的最大长度：2^13 × 8 = 65536，正好够表示最大 65535 字节的数据报。这也意味着每片的载荷长度必须是 8 的倍数（最后一片除外）。

DF 标志与 PMTUD：DF = 1 表示"不要分片"。如果路由器发现包超过 MTU 又被置了 DF，它会丢弃该包，并回一个 ICMP “需要分片” 报文（Fragmentation Needed），把"下游 MTU 是多少"也带上。源端收到后调小包重发——这就是 PMTUD（Path MTU Discovery，路径 MTU 发现）的核心。现代网络强烈推荐用 PMTUD + DF = 1 来避免分片，原因下面说。

分片为什么能避则避：
一片丢，全丢：任一分片在路上丢了，整个数据报就拼不齐，上层（TCP）只能整体重传，放大了丢包代价；
防火墙难处理：分片后第一条之外的片没有 L4 头部，安全策略和 NAT 很难判断，历史上是著名的绕过手法；
重组负担在目的端：占用内存、可能被用来打"重组炸弹"。
所以实践里：应用尽量别发超大包、TCP 配合 PMTUD、UDP 应用自己控制报文大小，能不分片就不分。

五、IPv6 概览

IPv4 地址（32 位）早不够用了，IPv6 把地址扩到 128 位，号称"给每粒沙子都分一个地址"。但 IPv6 不只是"地址变长"，它对头部做了大幅简化。IPv6 基本头部固定 40 字节，没有选项、没有头部校验和、分片相关字段也从基本头里挪走了：

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       +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     0 |Version| Traffic Class |          Flow Label                   |
       +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     4 |    Payload Length            |  Next Header  |   Hop Limit    |
       +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
     8 |                                                               |
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       |                                                               |
       +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
    24 |                                                               |
       +                                                               +
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       +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

  字节 8~23：Source Address（128 位）；字节 24~39：Destination Address（128 位）

字段对照 IPv4 看更清楚：

IPv6 字段	位宽	对应 IPv4 / 说明
Version	4 位	这里是 `6`
Traffic Class	8 位	对应 IPv4 的 DSCP + ECN
Flow Label	20 位	IPv6 新增，标识一条流，便于做 QoS
Payload Length	16 位	只算载荷，不含 40 字节基本头（IPv4 的 Total Length 是含头的）
Next Header	8 位	对应 IPv4 的 Protocol，但还能指向扩展头链（见下）
Hop Limit	8 位	对应 TTL，名字更准确（每跳减 1）
Source / Dest Address	各 128 位	16 字节的 IPv6 地址

IPv6 相对 IPv4 的几个关键变化：

头部更简、转发更快。固定 40 字节、没有头部校验和（校验交给上层和链路层 FCS），路由器转发时不用每跳重算校验和，转发效率更高。

扩展头链代替 Options。IPv6 把可选功能（逐跳选项、路由、分片、IPsec 的 ESP/AH、目的选项）做成一条扩展头链，用 Next Header 一个接一个串起来，最后才接上层协议。基本头永远在前、固定 40 字节，路由器只需看基本头就能转发，绝大多数扩展头只有目的端（或指定节点）才处理。

中间路由不再分片。IPv6 规定路由器不负责分片，只有源端能分（通过分片扩展头）。如果路由器发现包超过下游 MTU，直接丢弃并回 ICMPv6 Packet Too Big，源端据此调小重发（PMTUD）。IPv6 还规定每条链路最低 MTU = 1280 字节，低于这个值必须做适配。

Hop Limit 取代 TTL，机制完全一样（每跳减 1、到 0 丢弃），只是换了个更诚实的名字。

NDP 取代 ARP。IPv6 没有 ARP 协议，地址解析改由 NDP（Neighbor Discovery Protocol，邻居发现协议，RFC 4861）完成——它基于 ICMPv6，用组播（而非广播）来查询邻居的链路层地址。好处是：不再有 ARP 那种全链路广播风暴，也顺带把 ARP 欺骗的老坑换成了新的安全模型（NDP 有 SEND 等机制可加固）。

小结

IP 是无连接、不可靠、尽力而为的网络层协议，可靠性交给上层（TCP）；
IPv4 头部固定 20 字节（可扩到 60），关键字段：Version / IHL（4 字节单位）/ Total Length / TTL / Protocol / 头部校验和 / 源 / 目的 IP，分片靠 Identification + Flags + Fragment Offset 三个字段；
TTL 每跳减 1，到 0 丢弃并回 ICMP Time Exceeded，是防环路的保险丝，也是 traceroute 的原理；
当 IPv4 数据报长度超过出口链路 MTU 且没有禁止分片时，源主机或中间路由器可能分片；重组只在目的端进行。现代实践倾向用 DF = 1 + PMTUD 避免分片（一片丢则全丢、安全设备难处理）；
IPv6 头部固定 40 字节、无校验和、扩展头链代替选项、中间路由不分片、最低 MTU 1280、Hop Limit 取代 TTL、NDP 取代 ARP。

下一篇，我们正式进入 IP 地址的世界——TCP/IP（四）：IP 地址、子网划分与路由 ：地址分类、子网掩码与 CIDR、私有地址、路由表怎么选下一跳。

参考：
RFC 791 — Internet Protocol (IPv4)
RFC 8200 — Internet Protocol, Version 6 (IPv6)
RFC 4861 — Neighbor Discovery for IP version 6 (IPv6)
IANA — Assigned Internet Protocol Numbers
IPv6 packet — Wikipedia