IPv4数据报：首部、TTL、MTU与分片

IPv4数据报格式

网络层的分组称为数据报（datagram）。IPv4数据报由首部和数据两部分组成：首部的固定部分长20字节，其后可以跟随长度可变的选项；数据部分通常是一个TCP段或UDP数据报。下图按照每行32位排列首部字段，点击字段可以查看它的作用。

协议字段的作用类似于传输层的端口号：传输层用端口号把数据交给正确的进程，网络层则用协议字段把数据报的数据部分交给正确的上层协议。

寿命TTL与首部检验和

如果路由出现环路，没有任何机制的数据报会在网络中永远兜圈子。寿命（TTL, Time-To-Live）字段解决了这个问题：数据报每经过一台路由器，TTL就减1；当TTL被减为0时，路由器丢弃该数据报，并通常向源主机返回一个ICMP超时报文（见4.6节）。

首部检验和的计算方法与第3章的UDP校验和相同：把首部看作一串16位的字，求和时把溢出位回卷，最后取反。由于TTL在每一跳都会改变，每台路由器都必须重新计算并写回首部检验和。

其中$w_i$是首部的第$i$个16位字（计算时检验和字段先置0），fold表示把超出16位的进位回卷加到低16位，右式是接收方的验证条件。

IP只检验首部，数据部分的差错由TCP、UDP等上层协议自己检测。这样路由器只需处理20字节左右的首部，转发速度更快。

MTU与分片

链路层帧能够承载的最大数据量称为最大传送单元（MTU, Maximum Transmission Unit）。例如以太网的MTU为1500字节。一条端到端路径上的各段链路可能使用不同的链路层协议，MTU也可能不同。当数据报的总长度大于下一条链路的MTU时，路由器会把它分成若干个较小的数据报，称为分片（fragment）。

每个分片都带有自己的IP首部，并按以下规则填写：

1. 所有分片复制原数据报的标识字段，接收方据此判断哪些分片属于同一个数据报。
2. 除最后一片外，每片的数据长度都必须是8字节的整数倍。
3. 片偏移等于该片数据在原数据报数据部分中的起始字节数除以8。
4. 除最后一片外，各片的MF标志都为1。

例如，一个总长度4000字节（首部20字节、数据3980字节）的数据报要通过MTU为1500字节的链路。每片最多携带1480字节数据，因此被分成3片：

分片在途中可能走不同的路径，因此重组只在目的主机进行，路由器不负责重组。只要有一个分片丢失，目的主机最终就会丢弃已经收到的所有分片，整个数据报都要由上层重传。分片还会增加首部开销并消耗路由器资源，因此现代主机通常设置DF标志并进行路径MTU发现：当路由器发现数据报过大但DF=1时，丢弃它并返回ICMP“需要分片”报文，主机据此减小数据报长度。IPv6更进一步，路由器根本不进行分片（见4.7节）。