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IPv4 数据报格式
2026 大纲 四（三）1 IPv4 分组。分片的计算规则（每片装多少、片偏移怎么递推、重装怎么判齐）全部在《IP 分片与重装》，本篇只到"哪三个字段与分片有关"为止。
一、首部里有什么
前面几篇讲的都是网络层"做什么"——选路、转发、编址。这一篇看它把这些约定写在哪里：IP 数据报的首部。
首部 = 固定部分 20 字节 + 可选部分 0~40 字节，且必须是 4 字节的整数倍（不足处用 0 填充）。为什么非要 4 字节对齐，下一节会看到它直接决定了某个字段的宽度。
| 字段 | 位数 | 单位 | 最小 → 最大 | 关键动作 |
|---|---|---|---|---|
| 版本 | 4 | — | 4（IPv4）/ 6（IPv6） | 直接看值判 IP 版本 |
| 首部长度 IHL | 4 | 4 B | 5 × 4 = 20 B → 15 × 4 = 60 B | 已知 IHL = n → 实际首部 = 4n 字节 |
| 区分服务 | 8 | — | — | 指示期望的服务质量，一般不用 |
| 总长度 | 16 | 1 B | 20 → 65535 B | 数据部分长度 = 总长 − 4 × IHL |
| 标识 | 16 | — | 0 → 65535 | 同一原报文的所有分片共享同一标识 |
| 标志 DF/MF | 1+1 | — | 0 / 1 | 最高位保留置 0；DF=1 不分片；MF=1 后面还有分片 |
| 片偏移 | 13 | 8 B | 0 → (2¹³−1)×8 = 65528 B | 片偏移值 × 8 = 在原报文数据部分中的字节起点 |
| TTL | 8 | 跳 | 0 → 255 | 每跳减 1，到 0 丢弃并发 ICMP 超时 |
| 协议 | 8 | — | 见下 | ICMP 1 / IGMP 2 / TCP 6 / EGP 8 / IGP 9 / UDP 17 / IPv6 41 / OSPF 89 |
| 首部校验和 | 16 | — | — | 16 位字反码求和；每跳重算 |
| 源 / 目的 IP | 各 32 | — | — | 端到端不变（NAT 例外），而 MAC 地址逐跳都换 |
表里有两个陷阱要先按住。
首部长度的单位不是字节。 字段值 × 4 才是字节数：值 7 → 28 字节（含 8 字节可选部分）；反过来题目给"首部 28 字节"，填进去的是 7。值小于 5 的数据报一定非法，收到就该丢弃并发 ICMP 参数问题报文。
由此推出：IHL 不等于 5 时算数据长度必须老实乘 4，即"数据部分 = 总长度 − 4 × IHL"。粗心用"总长度 − 20"会得到 1480 这种错得毫无违和感的数。
总长度含首部，MTU 限制的也是总长度。 以太网上一个不分片的数据报，总长度上限就是 1500，数据部分只有
顺带澄清另一个常被当成 MTU 的数字：576 不是 MTU。它是 IP 层的规定——"所有主机和路由器必须能接收"的最小长度，来历是 512（上层数据的合理下限）＋ 60（最长 IP 首部）＋ 4（富余）。1500 是以太网这一种链路的 MTU。两者层次不同。
标识字段也不是序号。 IP 是无连接的，数据报本来就允许乱序到达，编序号没有意义。标识唯一的用途是把同一个原始数据报的分片认出来。
交互可视化
二、三个长度字段的单位为什么互不相同
这是本篇最值得推一遍的地方——三个字段各自被不同的约束逼到了不同的单位上：
| 字段 | 位宽 | 单位 | 能表示的最大值 | 单位是被什么逼出来的 |
|---|---|---|---|---|
| 首部长度 | 4 | 4 字节 | 4 位若按 1 字节算最长只能描述 15 字节，连固定部分都装不下；而首部本来就 4 字节对齐，取 4 当单位长度永远是整数 | |
| 总长度 | 16 | 1 字节 | 16 位够宽，不需要放大；且数据长度必须精确到字节，放大就表示不出奇数长度 | |
| 片偏移 | 13 | 8 字节 | 比总长度还窄 3 位，却要覆盖同样大的空间，只能按 8 放大 |
一句话串起来：位宽不够就把单位放大，位宽够用就保持字节精度。
所以"4 位字段"和"4 字节对齐"是互为因果的一对设计：先决定首部按 32 位字对齐，才敢把长度字段压到 4 位。
顺带一个边界：片偏移最大 65528，总长度最大 65535，两者并不相等也不矛盾——片偏移指向的是数据部分中的位置，而 65535 里还含 20~60 字节的首部。
三、TTL：从"秒"到"跳"的改名史
TTL 的字面意思是 Time To Live，最初确实以秒为单位：每经过一台路由器，减去数据报在这台路由器上消耗掉的秒数，不足 1 秒就减 1。后来路由器越来越快，转发耗时远小于 1 秒，"减去消耗的秒数"永远退化成"减 1"，于是标准把功能改成跳数限制，名字没改。
由此得到现在的口径：单位是跳不是秒；8 位 → 最多经过 255 台路由器；初值设为 1 表示"只能在本局域网内传送"——送到本网路由器，转发前减到 0 就被丢掉。这个性质正是 traceroute 逐跳探测的基础（见 ICMP 协议）。常见默认值：Linux 64，Windows 128。
四、源地址与目的地址：什么在变，什么不变
这两个字段各 32 位，是网络层"端到端"语义的载体：一个分组从源走到目的，中间换了十几次帧头，IP 首部里的源地址与目的地址一个字节都不变（NAT 是唯一的例外，而它正因此被批评破坏了层次）。反过来，链路层的 MAC 地址逐跳都换——它只在一段链路上有意义。
这两个字段里还能放一些特殊值，而特殊地址的分界线是"它能出现在源地址栏，还是目的地址栏"：
0.0.0.0只能做源。 它表示"本网络上的本主机"，是主机还没拿到 IP 时（比如发 DHCP Discover 那一刻）唯一能填的源地址；拿它当目的地址无从投递。255.255.255.255只能做目的。 它是受限广播地址，发送者不可能是"所有主机"。127.0.0.1两者皆可。 环回地址压根不出主机，源和目的都是它自己。- 普通单播地址两者皆可。
五、首部校验和
采用 16 位字的反码算术求和（不是 CRC，也不是普通二进制加法）。
发送方：校验和字段置 0 → 首部划成若干 16 位字 → 反码算术求和（普通二进制相加，最高位产生的进位加回最低位，称回卷）→ 把和取反码写入校验和字段。 接收方：把首部（这次包含已填好的校验和字段）同样求和 → 取反码 → 结果为 0 则首部未变，否则丢弃。
顺带说清一个看似矛盾的说法：校验通过究竟是全 1 还是全 0。反码求和之后、取反之前是全 1（0xFFFF）；再取反之后是全 0（0x0000）。教材判据"此结果必为 0"说的是取反那一步，两种说法讲的是同一件事的前后两步。
为什么只管首部、不管数据。 IP 层的立场是"数据的正确性由端到端的上层负责"——TCP、UDP 的校验和覆盖了伪首部 + 首部 + 数据，链路层还有 CRC，网络层再算一遍数据是重复劳动。
为什么它必须便宜。 首部里有字段每一跳都会变（TTL 每跳减 1，做了分片则标志与片偏移也变），字段一变校验和就必须重算——这件事发生在每台路由器的转发热路径上，一秒要做几百万次。所以它不能用 CRC 这类复杂算法，只能用加法器就能干完的反码求和，而且只对 20 字节的首部做。
这条推理的下半截就是 IPv6 的动机：既然逐跳重算是纯开销，而下层有 CRC、上层有 TCP/UDP 校验和，那干脆整个字段砍掉（见 IPv6 基础）。
图里要抓住的一点：校验和字段的值在每一跳都不同。它保护的是"从上一跳到这一跳"这一段，不是端到端。
首部校验和的完整逐步算例，含接收方验证与过一跳后的重算（第一次学、或想亲手把回卷走一遍时展开）
某 IPv4 数据报首部固定 20 字节：版本 4，首部长度 5，区分服务 0，总长度 40，标识 0x2B7A，标志与片偏移全 0，TTL 32，协议 17（UDP），源地址 192.168.3.17，目的地址 10.2.0.5。
第 1 步：拼成 10 个 16 位字，校验和字段先置 0。 反码求和的操作单位是 16 位字；校验和字段自己参与计算会自我引用，所以先置 0。
| 序号 | 内容 | 十六进制 |
|---|---|---|
| 1 | 版本 4 | IHL 5 | TOS 0 | 4500 |
| 2 | 总长度 40 | 0028 |
| 3 | 标识 | 2B7A |
| 4 | 标志+片偏移 | 0000 |
| 5 | TTL 32 | 协议 17 | 2011 |
| 6 | 校验和（置 0） | 0000 |
| 7 | 源地址高 16 位（192.168） | C0A8 |
| 8 | 源地址低 16 位（3.17） | 0311 |
| 9 | 目的地址高 16 位（10.2） | 0A02 |
| 10 | 目的地址低 16 位（0.5） | 0005 |
拼字节的小验算：
第 2 步：反码求和，边加边回卷。 只要和超过 16 位，就把溢出的那一位加回最低位——这就是反码算术与普通加法唯一的区别。
第 3 步：取反码得到校验和。 标准规定填入的是和的反码，这样接收方"连校验和一起加"才会得到全 1。
第 4 步：接收方验证。 把第 6 字换成 0xA18B 重新求和：0x0000 → 校验通过。正好演示了"取反前全 1、取反后全 0"。
第 5 步：经过一台路由器之后。 TTL 由 32 减为 31，第 5 个 16 位字从 0x2011 变成 0x1F11，重算得到新校验和 0xA28B，与原来的 0xA18B 不同。首部只要动一个字节，校验和就是另一个值——所以它只能每跳重算，不能沿途沿用。
六、可选部分
长度 1~40 字节，用于排错、测量、安全、源路由、记录路由、时间戳等。多个选项一个接一个拼接、中间没有分隔符，最后用全 0 的填充字段补齐到 4 字节的整数倍。
实际上这些选项很少被使用，代价却是首部长度可变、每台路由器转发时都要多做一次判断。收益太小，所以 IPv6 索性把首部做成固定 40 字节，把可选功能挪进扩展首部。
本节小结
- 先定对齐再定字段宽度：首部按 4 字节对齐 → 首部长度字段才敢只占 4 位、单位取 4 字节，范围 20~60 B；总长度 16 位够宽故保持 1 字节精度（上限 65535），片偏移只有 13 位却要覆盖同样大的空间，只能放大到 8 字节（上限 65528）。位宽不够就放大单位，这是三个单位互不相同的唯一原因。
- 可靠性的分工决定了校验和的形态：数据交给上层的 TCP/UDP 校验和与下层的链路 CRC，网络层只保首部；而 TTL 每跳变、分片字段可能变，校验和每跳都得重算，所以只能用 16 位字反码求和这种加法级算法——发送方填"和的反码"，接收方"连校验和一起加再取反得 0"。
- 把这份逐跳开销推到极限就是取消：IPv6 删掉校验和字段、把首部固定成 40 字节、把选项挪进扩展首部。IPv4 首部里"可变"带来的所有麻烦，IPv6 都是这么处理的。
考点速记
IP 首部在真题里被考过的形式有两种：一种问某个特殊地址能出现在哪个字段里，另一种直接给一段十六进制让你去数字节。
① 只能做源地址、不能做目的地址的是哪个（cn-2017-36）。四个候选 0.0.0.0、127.0.0.1、200.10.10.3、255.255.255.255，答 A：0.0.0.0。逐个判：0.0.0.0 表示"本网络上的本主机"，是主机还没拿到 IP 时唯一能填的源地址，拿它当目的地址无从投递；255.255.255.255 正好相反，它是受限广播、只能做目的；127.0.0.1 环回和 200.10.10.3 普通单播两者皆可。
判据只有一条：这个地址代表的是"一个说不清是谁的发送方"，还是"一群没法当发送方的接收方"。 前者只能做源，后者只能做目的。
② 从一段以太网帧的十六进制里读出 IP 首部（cn-2011-47，9 分）。这是把首部格式考到底的一道题——给出一个以太网帧的前 80 字节 dump，要你自己数偏移。
第 (1) 问要 Web 服务器的 IP。关键是把两层的偏移叠起来：以太网帧头是 14 字节（6 目的 MAC + 6 源 MAC + 2 类型），所以 IP 首部从帧的第 14 字节开始；而目的 IP 在 IP 首部内的偏移是 16~19，于是在帧里是 14 + 16 = 30~33 字节。取出这四个字节 40 aa 62 20 转十进制 → 64.170.98.32。
同一问还要默认网关的 MAC。帧的前 6 字节是目的 MAC，而这个帧是要发往 Internet 的（跨网段），所以目的 MAC 必然是默认网关的 MAC，不是 Web 服务器的——跨网段时主机根本不知道远端的 MAC，也不该用。答 00-21-27-21-51-EE。
第 (4) 问：这个分组经 NAT 路由器 R 转发时，IP 首部里哪些字段会被修改。答 源 IP 地址、TTL、首部校验和三个。推法就是本篇第五节那条链：TTL 每跳减 1 → 首部变了 → 校验和必须重算；而 R 是 NAT 路由器，还要把私有源地址换成公网地址。注意目的 IP 不变——出方向 NAT 只改源。
编者注（口径）：标准答案给的是完整口径，即"若触发分片，总长度、标志、片偏移也会改"。本题这个数据报的总长度字段是
0x01EF= 495 B，小于 1500，实际不需要分片，所以那三项在本例中不变。
本篇练习区里还会出现另外九道题，考的是 IP 编址、子网划分与分片：cn-2010-37、cn-2011-38、cn-2017-38、cn-2019-37、cn-2022-35、cn-2023-39 讲在 IP 编址与子网划分；cn-2018-47 与 cn-2021-36 的分片计算讲在 IP 分片与重装；cn-2023-40 的 IPv4 与 IPv6 对照讲在 IPv6 基础。
易错：首部长度字段的单位是 4 字节。数据部分 = 总长度 − 4 × IHL，别顺手写成"总长度 − 20"。
易错：
0.0.0.0只能做源，255.255.255.255只能做目的，环回和普通单播两者皆可。
易错：从帧 dump 里数字节要把两层偏移叠起来：以太网帧头 14 字节 + IP 首部内偏移。
易错：跨网段发送时，帧的目的 MAC 是默认网关的 MAC，不是最终目的主机的。
易错：普通路由器转发就要改 TTL 和首部校验和，NAT 路由器再多改一个源 IP。目的 IP 在出方向不变。
易错：标识字段不是序号。 IP 无连接、本来就允许乱序，标识只用于把同一原报文的分片认出来。
易错：576 不是 MTU，它是 IP 层规定的"必须能接收"的最小长度；1500 是以太网这一种链路的 MTU。
易错：校验和"取反前全 1、取反后全 0"是同一件事的前后两步，两种说法不矛盾。
教材出处
- 谢希仁《计算机网络》（第 8 版）：IP 数据报格式与各字段含义，见印刷版 p136–p139（4.2.5 IP 数据报的格式）。首部长度字段"所表示数的单位是 32 位字长（1 个 32 位字长是 4 字节）……最小值是 5……最大值 1111 时……即 60 字节"；总长度"指首部和数据之和的长度，单位为字节……数据报的最大长度为
字节"；关于 576 字节：协议 IP"规定在互联网中所有的主机和路由器必须能够接受长度不超过 576 字节的数据报。这是假定上层交下来的数据长度有 512 字节（合理的长度），加上最长的 IP 首部 60 字节，再加上 4 字节的富余量，就得到 576 字节"。 - 同书 p138：TTL 的单位变迁——"最初的设计以秒作为 TTL 值的单位……后来就把 TTL 字段的功能改为'跳数限制'（但名称不变）……现在 TTL 的单位不再是秒，而是跳数……数据报能在互联网中经过的路由器的最大数值是 255。若把 TTL 的初始值设置为 1，就表示这个数据报只能在本局域网中传送"。标识字段的说明在前一页 p137："IP 软件在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加 1，并将此值赋给标识字段。但这个'标识'并不是序号，因为 IP 是无连接服务，数据报不存在按序接收的问题"。
- 同书 p139：首部检验和——"这个字段只检验数据报的首部，但不包括数据部分。这是因为数据报每经过一个路由器，路由器都要重新计算一下首部检验和（一些字段，如生存时间、标志、片偏移等都可能发生变化）。不检验数据部分可减少计算的工作量"；算法为"把 IP 数据报首部划分为许多 16 位字的序列，并把检验和字段置零。用反码算术运算把所有 16 位字相加后，将得到的和的反码写入检验和字段"；接收方"把首部的所有 16 位字再使用反码算术运算相加一次。将得到的和取反码……若首部未发生任何变化，则此结果必为 0"。同页脚注给出协议字段值表（ICMP 1、IGMP 2、TCP 6、UDP 17、OSPF 89）。
- 同书 p140：可选部分——"选项字段用来支持排错、测量以及安全等措施……此字段的长度可变，从 1 字节到 40 字节不等……最后用全 0 的填充字段补齐为 4 字节的整数倍"，以及"实际上这些选项很少被使用……因此新的 IP 版本 IPv6 就把 IP 数据报的首部长度做成固定的了"。
- 同书 p124 表 4-2「一般不指派的特殊 IP 地址」：按"源地址使用 / 目的地址使用"两列给出五种情形，本篇第四节那几条即依此重排。
相关知识
网络层的功能｜IP 分片与重装｜IP 编址｜ICMP 协议｜IPv6 基础