2.2 IPv4头部结构
2.2.1 IPv4头部结构
IPv4的头部结构如图2-1所示。其长度通常为20字节，除非含有可变长的选项部分。
4位版本号（version）指定IP协议的版本。对IPv4来说，其值是4。其他IPv4协议的扩展版本（如SIP协议和PIP协议），则具有不同的版本号（它们的头部结构也和图2-1不同）。
4位头部长度（header length）标识该IP头部有多少个32?bit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。
8位服务类型（Type Of Service，TOS）包括一个3位的优先权字段（现在已经被忽略），4位的TOS字段和1位保留字段（必须置0）。4位的TOS字段分别表示：最小延时，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，应用程序应该根据实际需要来设置它。比如像ssh和telnet这样的登录程序需要的是最小延时的服务，而文件传输程序ftp则需要最大吞吐量的服务。
16位总长度（total length）是指整个IP数据报的长度，以字节为单位，因此IP数据报的最大长度为65?535（216-1）字节。但由于MTU的限制，长度超过MTU的数据报都将被分片传输，所以实际传输的IP数据报（或分片）的长度都远远没有达到最大值。接下来的3个字段则描述了如何实现分片。
16位标识（identification）唯一地标识主机发送的每一个数据报。其初始值由系统随机生成；每发送一个数据报，其值就加1。该值在数据报分片时被复制到每个分片中，因此同一个数据报的所有分片都具有相同的标识值。
3位标志字段的第一位保留。第二位（Don’t Fragment，DF）表示“禁止分片”。如果设置了这个位，IP模块将不对数据报进行分片。在这种情况下，如果IP数据报长度超过MTU的话，IP模块将丢弃该数据报并返回一个ICMP差错报文。第三位（More Fragment，MF）表示“更多分片”。除了数据报的最后一个分片外，其他分片都要把它置1。
13位分片偏移（fragmentation offset）是分片相对原始IP数据报开始处（仅指数据部分）的偏移。实际的偏移值是该值左移3位（乘8）后得到的。由于这个原因，除了最后一个IP分片外，每个IP分片的数据部分的长度必须是8的整数倍（这样才能保证后面的IP分片拥有一个合适的偏移值）。
8位生存时间（Time To Live，TTL）是数据报到达目的地之前允许经过的路由器跳数。TTL值被发送端设置（常见的值是64）。数据报在转发过程中每经过一个路由，该值就被路由器减1。当TTL值减为0时，路由器将丢弃数据报，并向源端发送一个ICMP差错报文。TTL值可以防止数据报陷入路由循环。
8位协议（protocol）用来区分上层协议，我们在第1章讨论过。/etc/protocols文件定义了所有上层协议对应的protocol字段的数值。其中，ICMP是1，TCP是6，UDP是17。/etc/protocols文件是RFC 1700的一个子集。
16位头部校验和（header checksum）由发送端填充，接收端对其使用CRC算法以检验IP数据报头部（注意，仅检验头部）在传输过程中是否损坏。
32位的源端IP地址和目的端IP地址用来标识数据报的发送端和接收端。一般情况下，这两个地址在整个数据报的传递过程中保持不变，而不论它中间经过多少个中转路由器。关于这一点，我们将在第4章进一步讨论。
IPv4最后一个选项字段（option）是可变长的可选信息。这部分最多包含40字节，因为IP头部最长是60字节（其中还包含前面讨论的20字节的固定部分）。可用的IP选项包括：
关于IP头部选项字段更详细的信息，请参考IP协议的标准文档RFC 791。不过这些选项字段很少被使用，使用松散源路由选择和严格源路由选择选项的例子大概仅有traceroute程序。此外，作为记录路由IP选项的替代品，traceroute程序使用UDP报文和ICMP报文实现了更可靠的记录路由功能，详情请参考文档RFC 1393。
2.2.2 使用tcpdump观察IPv4头部结构
为了深入理解IPv4头部中每个字段的含义，我们从测试机器ernest-laptop上执行telnet命令登录本机，并用tcpdump抓取这个过程中telnet客户端程序和telnet服务器程序之间交换的数据包。具体的操作过程如下：
$ sudo tcpdump -ntx -i lo #抓取本地回路上的数据包
$ telnet 127.0.0.1 #开启另一个终端执行telnet命令登录本机
Trying 127.0.0.1...
Connected to 127.0.0.1.
Escape character is '^]'.
Ubuntu 9.10
ernest-laptop login: ernest #输入用户名并回车
Password: #输入密码并回车
此时观察tcpdump输出的第一个数据包，其内容如代码清单2-1所示。
该数据包描述的是一个IP数据报。由于我们是使用telnet登录本机的，所以IP数据报的源端IP地址和目的端IP地址都是“127.0.0.1”。telnet服务器程序使用的端口号是23（参见/etc/services文件），而telnet客户端程序使用临时端口号41621与服务器通信。关于临时端口号，我们将在第3章讨论。“Flags”、“seq”、“win”和“options”描述的都是TCP头部信息，这也将在第3章讨论。“length”指出该IP数据报所携带的应用程序数据的长度。
这次抓包我们开启了tcpdump的-x选项，使之输出数据包的二进制码。此数据包共包含60字节，其中前20字节是IP头部，后40字节是TCP头部，不包含应用程序数据（length值为0）。现在我们分析IP头部的每个字节，如表2-1所示。
由表2-1可见，telnet服务选择使用具有最小延时的服务，并且默认使用的传输层协议是TCP协议（回顾第1章讨论的分用）。这些都符合我们通常的理解。这个IP数据报没有被分片，因为它没有携带任何应用程序数据。接下来我们将抓取并讨论被分片的IP数据报。