协议的数据单元是什么,物理层协议的数据单元

如果把一个村庄比喻成一个小的局域网，那路由器就相当于连接村庄的桥梁，路由器属于中间系统，所以连接不同网络的路由器需要实现不同的链路层协议，完成不同链路层的翻译转换功能。

另一方面，路由器实现链路层 网络层这2层就够了，而不必实现传输层和应用层，这是由它的功能（实现分组交换）决定的。

每个IP分组都是一个IP数据报，包含发送方和接收方的第三层地址（IP地址），即32位的IPv4或128位的IPv6，IP数据报首部中的目的地址决定将该数据报发往何处，而做出决定和发送数据报到下一跳的过程叫转发，转发依赖于路由表，是存储于内存中的一个数据结构。

在贴出IP协议格式之前，我们可以设想一下，IP协议需要包括哪些信息，这比直接上图＋死记硬背要好。

根据之前封装的描述，显然，IP数据报应该是包括IP首部 数据负载，而这个不透明的负载（Payload）来自于TCP、UDP或者其他。

所以我们讲IP数据报格式，其实就是IP首部的组成和结构，因为数据负载来自于上层，而封装的本质要求上层的数据对下层隐藏、无须解释，既然IP的Payload对于IP层透明，那自然没什么可讲的。

IP首部由各种不同用途和含义的字段组成。

因为IP分32位的IPv4和128位的IPv6，所以IP首部需要包括版本号字段用来区分这两种情况。

因为IP负责分组转发，所以IP首部应该包括目的IP地址，用于路由转发逻辑的处理，另外接收端可能需要找到该分组的来源，所以也应该包含来源IP地址。

TCP、UDP、ICMP、IGMP都通过IP数据报传输，所以在IP首部，需要包含一个协议字段，用于区分该IP数据报承载的是哪种类型的协议。

IP不纠错，但是需要检查错误，数据在传输过程中，有可能出错，导致接收到的数据跟发送的不一样，所以接收端需要有方法知道传输过程中，数据是否跟发送端一致，所以头部校验和字段也是必要的。

因为IP要处理分片和*，所以IP首部需要包含相关信息，以支持该功能。

IP分IPv4和IPv6两种，协议格式不同，本文讲述以IPv4为主，先给一个IPv4的数据报图，不带选项的IP数据报头部为20字节。

版本，IP协议的第一个字段都是版本字段，这也是IPv4和IPv6唯一相同的字段，IP数据报的版本字段为4对应IPv4，为6对应IPv6，主机或者路由器可以根据版本字段，分别处理IPv4或IPv6（称为双栈）。

IHL，Internet头部长度，该字段为4位，表示头部（包括选项）32位字的数量，也就是说，真正的用字节表示的头部长度应该是IHL的值，再乘以4（32位=4字节），因为4位能表示的最大2进制为1111，对应十进制15，所以IPv4的首部最多60（15*4）字节。

DS，服务类型字段占6bit，显示控制通知（ECN）占2bit，一共8bit，该8bit用来替换了最初版本的服务类型（ToS）字段，原因是ToS其实没怎么被用。

总长度字段，是IP数据报的总长度，包括首部和数据。

接下来的32位字（4字节），标识（16bit） 标志（3bit） 分片偏移（13bit）用于分片和*逻辑。

TTL，生存期字段用于设置数据报可经过路由器数量的上限。超此上限的IP数据报将被丢弃。

协议字段，8bit，提供多路分解功能，满足IP协议可用于携带多种（TCP、UDP、ICMP、IGMP等）协议类型的有效载荷的要求，TCP对应值17，UDP对应值为6。

头部校验和字段，仅计算IPv4头部，不包括数据，数据（Payload）的校验由传输层协议去保证，校验和的含义很简单明了，在发送端根据IP头部的各位计算出一个数值，接收端根据接收到的IP头部的各位重算一个数值，如果该值等于校验和字段，那就哦了，否则，传输过程中出错了，这个IP数据报不靠谱，扔了吧。

链路层对可传输的帧有一个最大长度的限制，以太网对数据帧的长度上限是1500字节，链路层可传输帧的长度限制叫做最大传输单元（MTU）。

如果IP层有一个数据报要传，且数据长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要对该数据报分片（fragmentation），把超限的数据报切分为若干片，使得每片都小于MTU限制。

IP层接收到一份要发送的数据报时，通过选路逻辑来决定向哪个接口（网卡）发送数据，发送数据之前，需要查询该接口获得其MTU，然后将数据报长度与MTU进行比较，如果需要，则进行分片，分片可以发生在原始发送端主机，也可以发生在中间路由器上。

IP数据报分片后，到达目的地后才进行重新组装，恢复分片前的IP数据报信息，*由目的主机的IP层完成。因此，分片和*对传输层（TCP、UDP）透明，IP首部中的标识、标志、分片偏移字段为分片和*提供了足够的信息。

IP数据报首部中的标识（16bit）保存分片的唯一值，这意味着属于同一IP数据报的多个分片拥有相同的标识值。

标志（3bit）字段中的一位用来表示“是否有更多的片”，除最后一片外，其他组成数据报的分片该位设1，最后一片置0表示没有更多的片，也就是最后一片；片偏移字段用来标识该片在原始IP数据报中的位置。

当IP数据报切分为多个分片（IP数据报）后，每个分片的总长度字段（16bit）要更改为该片的长度值。

对链路层而言，不管是完整的IP数据报，还是IP数据报的一个分片，都以IP分组同等视之，分组是IP层把数据报传递给链路层的一个概念，既可能是一个独立IP数据报也可能是一个IP数据报的分片。每个分组（分片）都有自己的IP首部，并在选路时与其他分组（分片）独立路由，所以这些分片到达目的端可能失序，但IP首部有足够信息重新组装这些片。

任何一个分片的丢失，都要导致重传整个数据报，这是因为重传机制在传输层，而分片对传输层透明。

上图是UDP数据报在IP层的分片示例，可见UDP首部只存在第一个分组（分片）之中，这很容易理解，因为经传输层封装后的数据报对于IP层而言是透明的，IP不区分UDP首部和UDP数据，它们都是不透明的Payload。

接收端在收到IP分片后，相同标识值的分片属于同一个被切分的数据报，然后对分片偏移排序，更多片标志位为0的分组是最后一片，排序后的分组，如果分配偏移连续，且最后一个分组也到达，则表示整个数据报都到达了，则恢复数据报，否则继续等待。

IP转发的概念很简单，就是路由器为IP数据报挑选一个接口发送出去。

从发送端到目的端，之间经历的所有路由器构成网络路由的完整路径，这跟从家到公司经过的所有路口构成的路径类似。

当网络接口（网卡）收到数据报时，IP模块检查数据报目的地址是否为自己的IP地址，如果是，数据报交付给由协议字段指定的协议模块（TCP、UDP等），如果不是，则判断IP层是否配置为路由器，如果是，则转发，如果不是，丢弃，因为主机不转发那些不是由它生成的数据报。

IP层包含一些位于内存中的信息，称为路由表，每次转发数据报时，都要查询路由表，执行最长前缀匹配法，决定挑选哪个路由表项做数据转发。IP转发逐跳进行，每次转发假设离目的地更近一步，路由器和主机不包含到目的地的完整路径信息。

路由表是路由条目的列表，每个路由条目包括以下几项关键信息。

1. 目的地：一个32位字段，用于与掩码操作结果相匹配。
2. 掩码：一个32位字段，用于与IP数据报中的目的IP地址做按位与操作。
3. 下一跳：下一个IP实体（路由器或者主机）的32位IP地址，数据报将被转发到该地址。
4. 接口：用于将数据报发送给下一跳的网络接口（网卡）。

选路过程：

1. 首先取出数据报中的目的IP地址，然后与路由条目的掩码字段进行按位与，按位与的结果如果等于路由条目的目的地，则该条目与目的地IP匹配，该条目进入候选集合。
2. 从候选集合中选择最匹配的条目，即掩码最多位为1的条目，取出下一跳字段作为转发数据报的下一跳IP地址。
3. 通过最匹配条目的网络接口，发送到下一跳。
4. 如果没有匹配条目，则数据报无法交付，通过ICMP发送“主机不可达”通知发送主机。

通常路由表会有一个默认路由项目，用于默认路由，每经过一个路由器，IP首部中的TTL字段都要自减1。

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