IP数据报的分析

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前言

有读者问我NAT是啥东西，我就简单提一下吧，本文主要讲解的是IP数据报，当然，如果有啥不懂的，也可以私信我，如果恰巧我懂，那我就解答一下，想看什么样的文章也可以留言讨论~。

在前面的文章中，我们知道，如果一个主机（开发板）想要访问外网，那必须经过NAT地址转换，就拿我们的电脑来说，它想要访问外网，那就必须将电脑的IP地址转换为公网的IP地址。我们电脑目前使用的IP地址是专用地址，如 192.168.0.66等，大家可以结合前面的文章了解一下什么是专用地址，什么是公网的IP地址。而让IP地址发生转换的就是NAT——网络地址转换协议。

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NAT网络地址转换

科普一下NAT。IP地址只有32位，满打满算只有42.9亿个地址，去掉保留的IP地址、组播地址，能用的IP地址大约还剩36亿左右，IPv4早就不够用了，不过呢感谢有NAT这项技术，不然现在出生的我们早就没法上网了，那我还怎么写文章！！！

其实我们使用的基本上是专用网络地址，比如公司的局域网、机构的局域网、个人的局域网（10.0.0.0/8，172.16.0.0/12，192.168.0.0/16），其实这些局域网是不能上网的，依赖电信、移动、联通这些通信机构，在各个局域网的边界WAN-IP使用一个或多个公网IPv4进行一对多的转换。如果IP地址是一对一转换，那根本节省不了IPv4地址空间；所以一般NAT都是一对多的，即一个公网IPv4映射多个私网IPv4。

它是一种把内部私有网络地址（IP地址）翻译成合法网络IP地址的技术，因此NAT在一定程度上，能够有效的解决IP地址不足的问题。简单来说，就是你的IP地址不能上网，得转换成能上网的IP地址！！！不过既然是一对多的，在一定程度上，会降低通信的效率，不过这个对应个人来说压根就没啥感觉吧。

算了，不多说这 垃圾 东西，还是整点有意义的~。

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IP数据报

其实在很多书中，IP数据报都被称作IP分组，（小声bb：分啥组啊，又不是上学），咳咳咳，其实我更喜欢称为IP数据报，当然，IP分片也是很好听的，当然，这些名字都是正确的，叫哪个任君喜欢。

IP数据报与ARP报文都是一种报文格式，都有自己的组织形式，与ARP报文一样，由两部分组成，一部分是首部，另一部分是数据区域，一个IP数据报的首部长度是不定的，通常为20~60字节，根据选项决定。而数据区域理论上可以多达65535个字节，但是很少有数据是那么大的，并且在发送数据的时候受限于网卡硬件。

版本 ，4bit。规定了数据报的IP协议版本，对于IPv4，该值为4；对于IPv6，该值为6。通过查看版本号，路由器能够确定如何解释IP数据报的其他部分，不同的IP版本使用不同的数据报格式。IPv4与IPv6数据报是不一样的，千万不要混淆。

部首长度 ，记录IP首部的数据的长度，因为IP首部中包含了一些可变的数据选项（如果存在），故需要记录首部的长度，以便区分数据部分的起始位置，部首长度单位是字，只有这样子才能最大记录60个字节的数据（15*4=60） 。

服务类型 (TOS) ，占据8bit空间，服务类型包含在IPv4首部中，以便使不同类型的IP数据报，例如，一些特别要求低时延、高吞吐量或可靠性的数据报，能相互区别开来。提供特定等级的服务是一个由路由器管理员决定的策略问题，简单来说就路由器根据是这个字段的值来为数据报提供（选择）最合理的路径。

数据报长度 ，占据16bit空间。记录IP数据报的总长度（首部加上数据区域），以字节为单位。因为该字段长为16bit，所以整个IP数据报的理论最大长度为65535字节，然而，数据报很少有超过1500字节的，这是因为底层链路硬件不允许那么大的数据报出现在链路上，以太网数据帧的最大长度为1500个字节，当有一个很大的IP数据报出现的时候，就需要进行分片处理；而如果IP数据报的数据很少的时候，比如少于46个字节，那么在以太网进行发送数据的时候会填充一定的字节以满足以太网帧最小长度，那么在接收方就要根据这个字段的内容进行提取有效数据。

标识、标志、分片偏移量这三个字段与IP数据报分片有关，暂时不说，在讲数据分片的时候说。

生存时间 （TTL） ，用来确保数据报不会永远在网络中循环（例如由于长时间的路由选择环路）。每当IP数据报由一台路由器处理时，该字段的值减1，若TTL字段减为0，则该数据报必须丢弃，同时会返回一个ICMP差错报文给源主机，这样子数据就不会永远在网络中漂流。

上层协议 。该字段仅在一个IP数据报到达其最终目的地才会有用。该字段的值指示了IP数据报的数据部分应交给哪个特定的传输层协议。例如，值为6表明数据部分要交给TCP，而值为17表明数据要交给UDP。如果没有它。将无法准确递交到层协议，ICMP会返回一个协议不可达错误。

首部校验和有点麻烦了，不讲。

源IP地址与目标IP地址 ，这个就太简单了，源主机在生成IP数据报的时候会在源IP地址字段中插入它的IP地址，在目标IP地址字段中插入其想要发送的最终目标IP地址。

选项字段占据0~40个字节。它允许IP首部被扩展，首部选项在嵌入式网络协议栈中还是比较少使用的，当它不存在就行了，整个IP数据报首部只有20字节。

数据区域 ，也称之为有效载荷，这是IP数据报的最后的一个字段，也是最重要的内容，在大多数情况下，IP数据报中的数据字段包含要交付给目标IP地址的运输层（TCP协议或UDP协议），当然，数据区域也可承载其他类型的报文，如ICMP报文。

来用wireshark抓个包验证一下IP数据报是不是这样子的：