kp-012 IP 数据报格式、分片与转发

注：本文基于模型知识整理，建议结合权威教材与 RFC 原文核对细节。

一句话定义

IP 数据报是网络层的传输单元，由 20 字节固定首部、可选字段与数据构成；报文超过链路 MTU 时沿途路由器将其分片，而每台路由器依据路由表对每个报文独立做出「从哪个接口发给哪个下一跳」的转发决策。

为什么重要

读懂首部才能读懂抓包：排查连通性看 TTL，判断上层协议归属看协议字段，分析大包丢失要看分片字段。转发流程则是理解 traceroute、路由环路、默认网关等现象的底层模型——几乎所有网络层故障，最终都会落到「路由表里为什么没有这条前缀」或「TTL 为什么归零」这两个问题上。

前置知识

建议先读 kp-010《IPv4 地址体系与分类编址》，理解目的地址与网络前缀的关系；建议同时掌握 kp-011 的掩码按位与运算，并了解以太网帧与 MAC 地址的基本概念。

核心概念

IPv4 首部（RFC 791）字段逐个看：

版本（4 位）：恒为 4，收端据此解释后续字节。
首部长度 IHL（4 位）：以 4 字节为单位，无选项时取 5，即 20 字节；最大 15 对应 60 字节。
区分服务（8 位）：标记报文的服务质量等级，供沿途设备做差异化处理。
总长度（16 位）：首部加数据的总字节数，上限 65535。
标识（16 位）：同一数据报的所有分片携带相同标识，供目的端归组重组。
标志（3 位）：保留位、DF（不得分片）、MF（后面还有分片）。
片偏移（13 位）：本片数据在原报文数据区中的位置，以 8 字节为单位。
生存时间 TTL（8 位）：每经过一台路由器减 1，减到 0 即丢弃并向源回 ICMP 超时报文。
协议（8 位）：上层协议号，TCP 为 6，UDP 为 17，ICMP 为 1。
首部校验和（16 位）：仅覆盖首部，检测首部在传输中的差错。
源地址与目的地址（各 32 位）：未经 NAT 时端到端保持不变。

路由表条目三类：直连路由（接口所在网段自动生成）、静态路由（管理员手工配置）、默认路由（0.0.0.0/0，任何地址都能命中的兜底条目）；动态路由协议（RIP、OSPF、BGP 等，见 kp-014 与 kp-015）学习来的路由也写入同一张表参与匹配。

图示

IPv4 首部（每行 32 位）

 0      4       8              16     19             31
+------+-------+--------------+------+--------------+
| 版本 | IHL   |   区分服务    |      总长度 16 位     |
+------+-------+------+-------+---------------------+
|        标识 16 位     |保留/DF/MF|    片偏移 13 位    |
+------+------+-------+----------+------------------+
|  TTL 8 位    | 协议 8 位   |    首部校验和 16 位     |
+--------------+-------------+-----------------------+
|                   源 IP 地址 32 位                   |
+-----------------------------------------------------+
|                  目的 IP 地址 32 位                  |
+-----------------------------------------------------+
无选项时首部共 20 字节；协议字段：TCP=6，UDP=17，ICMP=1

跨两跳转发：IP 地址不变，MAC 地址每跳更换

 A(192.168.1.10)      R1                 R2               B(192.168.3.20)
      |   帧: 源MAC=A   |                  |                 |
      |   目的MAC=R1左  |                  |                 |
      |  TTL=64        |                  |                 |
      |--------------->|  帧: 源MAC=R1右  |                 |
      |                |  目的MAC=R2左    |                 |
      |                |  TTL=63          |                 |
      |                |----------------->|  帧: 源MAC=R2右 |
      |                |                  |  目的MAC=B      |
      |                |                  |  TTL=62         |
      |                |                  |---------------->|

原理与机制

首部校验和为什么逐跳重算：TTL 每跳减 1，首部字节变了，原校验和必然失效，路由器必须重新计算后才转发；只校验首部不校验数据，是把开销控制在每跳可承受的范围内。TTL 防环的机理：路由配置错误可能形成环路，报文将无限兜圈，TTL 给每个报文设定寿命上限，宁可丢弃也不允许永久占用网络资源。分片机制：当出接口 MTU 小于报文长度且未置 DF 时，路由器把数据切成多片，各片独立成为 IP 报文——标识相同便于归组，MF 指示后面还有片，片偏移记录位置，目的端据此重装。重组只在目的端：中间路由器若参与重组，需要为每个流维护缓存与定时器，开销巨大；且分片可能经不同路径、乱序到达，只有目的端保证集齐全部片。置了 DF 的报文遇到更小的 MTU 出口会被丢弃并回送 ICMP 差错，发送方据此逐步探测路径上最小的 MTU，即路径 MTU 发现（Path MTU Discovery, PMTUD）。转发决策流程：取出目的地址，逐条计算「目的地址按位与掩码是否等于网络前缀」，收集所有命中项后选前缀最长者；若无命中则查默认路由，连默认路由也不存在就丢弃报文并向源发 ICMP 终点不可达。

实例分析

跨两跳路由器的完整转发：主机 A（192.168.1.10/24，网关 192.168.1.1）访问主机 B（192.168.3.20/24），路径为 A 至 R1（左口 192.168.1.1、右口 10.0.0.1），R1 至 R2（左口 10.0.0.2、右口 192.168.3.1），R2 至 B。第一跳：A 比较目的地址与自身掩码，发现不同网段，把帧发给网关，目的 MAC 是 R1 左口（A 先 ARP 网关获得），报文 TTL 为 64。第二跳：R1 查表得下一跳 10.0.0.2，帧从右口发出，源 MAC 变为 R1 右口、目的 MAC 变为 R2 左口，TTL 减为 63。第三跳：R2 命中直连路由，ARP 得到 B 的 MAC 后送达，TTL 减为 62。三跳中源、目的 IP 始终是 192.168.1.10 与 192.168.3.20，而 MAC 每一跳都被重写——IP 端到端、MAC 逐链路，这是网络层最重要的不变量。分片算例：报文总长 4000 字节（数据 3980 字节），出口 MTU 1500，每片最多装 1480 字节数据，切成三片：第一片偏移 0、MF 为 1；第二片偏移 185（1480 除以 8）、MF 为 1；第三片数据 1020 字节、偏移 370（2960 除以 8）、MF 为 0。

常见误区

以为 TTL 防环是「精确纠正路由」：它不修复错误，只在环路发生时保证报文有寿命上限。
以为重组可能发生在中间路由器：标准设计里只有目的端重组，中间路由器只管继续转发分片。
忽略片偏移以 8 字节为单位：直接拿字节数填偏移字段会算错。
以为 IP 地址会随转发改变：未经 NAT 时改的只有链路层地址与 TTL，IP 首部的两端地址不变。

自测题

IHL 字段为什么必须存在？

答案要点：IPv4 首部含可选字段、长度可变，IHL 以 4 字节为单位标明首部实际长度，取值 5 表示 20 字节的标准首部。

报文总长 64536 字节、出口 MTU 1500 且未置 DF，路由器会怎么处理？

答案要点：超出 MTU 即分片，按每片最多 1480 字节净荷切割，各片携带相同标识，除最后一片外 MF 置 1，片偏移按 8 字节为单位填写。

TTL 减到 0 时由谁处理、发什么消息？

答案要点：当前路由器丢弃报文并向源发 ICMP 超时报文；traceroute 正是利用这一机制逐跳探测路径。

为什么重组只在目的端进行？

答案要点：中间路由器重组需维护缓存与定时器、开销大；且分片可能经不同路径乱序到达，只有目的端必然集齐全部片。

转发时没有任何路由条目命中怎么办？

答案要点：先查默认路由 0.0.0.0/0；若默认路由也不存在，则丢弃报文并向源发 ICMP 终点不可达。