2.2 IPv4报文头与QoS

2.2.1 IPv4报文头的结构

IP数据报是第三层传输的协议数据单元。IP数据报分为报文头和数据区两部分，其中报文头部分的各项字段反映了IP协议的工作机制。

IP数据报的具体格式如图2-5所示。

下面解释各字段的含义。

● 版本号（VERS）——4比特，表示IP协议版本号。目前的版本号是4，即IPv4。版本号规定了数据报的格式。版本不同，其数据报格式也有所不同，如IPv6的报文结构就和IPv4的结构不同。

● 报文头长度（HLEN）——4比特，表示报文头长度。报文头长度以4B为单位计算。除IP选项（IP Options）和填充（Padding）字段可以不存在外，其他各字段必须存在。这些必须存在的字段是5个4B，共20B长。因此，报文头长度值一般是5。又由于报文头长度必须是32比特的整数倍，所以当一个含有IP选项字段的IP数据报不是32比特的整数倍时，由填充字段用0补足。

● 服务类型（Type of Service）——即ToS字段，8比特，指示对本数据报的处理方式。它主要用来指示数据报的优先权及传输类型。QoS技术就是使用此字段对数据进行标记优先级的。

● 总长（Total Length）——16比特，以B为单位表示整个IP数据报长度，包括报文头及其携带的数据。因为总长字段是16比特，所以IP数据报最长可达216-1=65535个字节。

标识（Identification）、标志（Flags）、片偏移（Fragment Offset）这3个字段与IP报文的传输有关。IP数据报是网络层的数据单元，它需要被封装在第二层的数据帧中来传输。互联网是由各种二层规范不同的网络互联起来的产物，这些不同的网络的帧格式及帧长度各不相同。例如，以太网的帧和令牌环的帧在结构和长度上都不相同。IP数据报在某个二层网络中能够被完全封装，到另一个二层网络中就未必可以。因此，IP数据报有可能被分割，称为“分片（fragmenting）”，当数据到达目的地时还要对分片进行重组。上述3个字段正是用于对分片和重组进行控制的。

● 标识（Identification）——16比特，是发送者赋予数据报的标识符，接收者利用这个信息和源地址判断收到的分组属于哪个数据报，以便进行重组。因此，在分片时，该域必须不加修改地复制到各分片的报文头中。

● 标志（Flags）——3比特，只有低两位有效。第一比特为0时表示该分片是最后一片，如果该位是1表示后面还有分片。第二比特为0时表示可以对数据报进行分片，如果该位是1表示数据报不能分片。当该位设置为1而帧长度不匹配又必须分片时，设备就会将数据报丢弃并返回错误信息。

● 片偏移（Fragment Offset）——指示本分片数据在初始数据报数据区中的偏移量，偏移量以8个B为单位，重组时分片顺序由片偏移提供。

● 生存时间（Time To Live）——简称TTL，8比特，用来控制数据报在网络中存在的时间。目前TTL的值并不代表时间，而是代表经由路由器的个数。数据报每经过一台路由器时，路由器将TTL值减1，一旦TTL=0，系统就丢弃该数据报，并返回错误信息。这样避免了路由出现环路时数据报在路由器之间无休止地循环。

● 协议（Protocol）——8比特，表示该数据报携带的数据是由哪个上层协议封装的，也就是指示传输层的协议类型。如最常见的协议类型是TCP或UDP。

● 头校验和（Header Checksum）——16比特，用于保证IP头数据的完整性。

● 地址（Address）——分为源IP地址和目的IP地址，各占32比特，表明数据的来源及其到达的目的地。

● 选项（IP Options）——本书不讨论。

● 填充（Padding）——当IP报文头长度不是32比特的整数倍时，填充0来凑齐32比特整数倍，没有实际意义。

● 数据（Data）——来自第4层的数据段。

2.2.2 IPv4 ToS字段

如图2-6所示，ToS字段是1B，根据RFC1122的定义，IP优先级（IP Precedence）使用最高3比特，可以定义8个服务等级。第3到第5比特由RFC791定义，称为DTR（Delay，Throughput，Reliability）位，后来RFC1349又扩展到第6位。最后1比特必须为0（Must Be Zero）。

8个优先级的定义如下：

● 111——Network Control（网络控制）；

● 110——Internetwork Control（网间控制）；

● 101——Critic（关键）；

● 100——Flash Override（疾速）；

● 011——Flash（闪速）；

● 010——Immediate（快速）；

● 001——Priority（优先）；

● 000——Routine（普通）。

优先级6和7一般保留给网络控制数据使用，如路由。

优先级5推荐给语音数据使用。

优先级4由视频会议和视频流使用。

优先级3给语音控制数据使用。

优先级1和2给数据业务使用。

优先级0为默认标记值。

在标记数据时，既可以使用数值，也可以使用名称（英文名称）。

第3到6比特的含义如下：

0000——normal service；

1000——minimize delay；

0100——maximize throughput；

0010——maximize reliability；

0001——minimize monetary cost。

QoS没有使用这4比特的定义。