网络协议系列六 - 网络层

Posted 2022-12-02 1024星球

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了网络协议系列六 - 网络层相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

网络层在OSI中的比重很大，几乎所有的网络请求库都会涉及到。

一、网络层（Network）

网络层数据包（IP数据包：Packet）由首部、数据2部分组成。

数据：很多时候是由传输层传递下来的数据段（Segment）。

1.1. 版本（Version）

占4位（0b0100：IPv4，0b0110：IPv6）。

1.2. 首部长度（Header Length）

占4位，标识该IP头部有多少个32bit字（4字节），因为4位最大能表示15，所以IP头部最长是60字节。

最小值：0b0101(5 * 4 = 20)

最大值：0b1111(15 * 4 = 60)

首部固定部分是20个字节，虽然还有可变部分，但很多时候就是20个字节。由于最大值是60个字节，所以可变部分是40个字节。

1.3. 区分服务（Differentiated Services Field）

占8位，可以用于提高网络的服务质量（QoS：Quality of Service）

包括3位优先级字段、1位保留字段和4位TOS字段。4位TOS分别表示：最小时延、最大吞吐量、最高可靠性和最小费用。其中最多有一个能置为1。

比如客户端发送数据给服务端，数据在经过路由器的时候，路由器识别区分服务（例如，区分服务的优先级值为3）的优先级后可以让这部分数据优先通过。

1.4. 总长度（Total Length）

占16位。指整个IP数据报的长度，以字节为单位。首部 + 数据的长度之和，最大值是65535（2^16-1）字节。

但是由于MTU限制（帧的数据不能超过1500字节），长度超过MTU的数据报将会分片传输，所以实际传输的IP数据报长度远远没有达到最大值。因此过大的IP数据包，需要分成片（fragment），每一片都有自己的网络层首部（IP首部）。

标识、标志、片偏移描述了如何分片。

1.5. 标识（Identification）

占16位，数据包的ID。其初始值是系统随机生成，每发送一个数据包，其值加1。该值在分片时被复制到每一个分片中，因此同一个数据包的所有分片的标识都是一样的。

1.6. 标志（Flags）

占3位。

第1位（Reserved Bit）：保留
第2位（Don’t Fragment）：表示“是否禁止分片”，1代表禁止分片，0代表允许分片
第3位（More Fragments）：表示“是否还有更多片”，1代表不是最后一片，0代表是最后一片。如果要分片，除了最后一个分片外，其他的分片都要置1。

1.7. 片偏移（Fragment Offset）

占13位。是分片相对原始IP数据报开始处的偏移（仅指数据部分）。实际偏移值是该值左移3位得到的。所以除最后一个分片，其他分片的数据部分长度必须是8的整数倍（片偏移乘以8：字节偏移）。

为什么要左移3位？

除最后一个片段外，每个片段都必须包含8字节数据的倍数。由于片段偏移是按13位编码的，因此其范围在0到8191个8字节单位之间。但是，由于“总长度”也考虑了IP标头，因此“片段偏移”最大限制实际上是8189个单位，而不是8191个单位。总长度被编码为16位，这意味着它被限制为65535个字节。然后，由于IP标头至少为20个字节，因此导致有效载荷被限制为最大65535个字节-20个字节= 65515个字节。将这65515个字节以8个字节为单位进行划分，结果将可能最多有8189个单位，因此分片偏移限制为最大为8189个单位。

1.8. 生存时间（Time to Live）

占8位。设置了数据可以经过的最多的路由器数（操作系统不同TTL值也不同），每个路由器在转发之前会将TTL减1，如果该值减为0依旧没有到达目的主机，就丢弃该数据包，由这个路由器发送ICMP差错报文（目标不可达）。主要作用就是防止路由死循环（A路由跳B路由，B路由跳A路由，数据一直在往返，如果没有TTL就会产生死循环）。