在互聯網中，兩個互聯網模塊（即主機、路由器、網關等）之間的通信，是執行互聯網協議（IP，Internet Protocol）。互聯網協議（IP）規定了通信信息的數據傳輸格式，這稱為互聯網報文（internet datagram），或稱數據報。所謂互聯網報文，是指在一對互聯網模塊之間交換的數據單位（包括互聯網報頭）。在RFC 791《Internet Protocol》中規定了互聯網報文的格式，它是由報頭和報文數據信息構成。RFC 791規定的互聯網協議屬于IPv4版本。IPv4的報文格式如下圖0所示。

圖0：IPv4報文（Datagram）格式

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一、報頭

由圖0可知，IPv4的報文格式是用二進制比特表示，4個字節（32比特）構成一個單元。互聯網報頭（Internet Header）是指“消息、段、數據報、數據的分組或塊的開頭的控制信息”。它分為固定長度部分和可變長度部分。報頭中每單元由一個或多個字段構成。每字段的長度（比特位）不同，但各字段的長度是固定的，這就是固定長度部分的報頭，由前12個字段構成，共占用20個字節。報頭可變長度部分只有最后一個字段，即“可選項（Optional）”字段。下述對各字段分別做一介紹。

1、版本（Version）字段：

版本（Version）字段表示互聯網報頭的格式。其字段長度為4比特。IPv4的該字段之值為“4”（二進制表示為0100）。該值是由RFC 1700《Assigned Numbers》規定的，RFC 1700對于互聯網協議體系（也稱套件）版本號碼（0~15）分配詳見下表1-1。

表 1-1：互聯網協議體系版本號的規定

2、報頭長度（IHL，即Internet Header Length）字段：

該字段長度為4比特。由于報頭中有可選字段，因而報頭長度不固定，此字段之值指明報頭為4字節的倍數。此字段的最小值為5，表示只有固定長度部分而無選項，即報頭長度為20字節；該4比特字段的最大值為15，故報頭最長為60字節；

3、服務類型（TOS，Type Of  Service）字段：

服務類型字段的長度為8比特（1個字節）。該字段用于指明用戶期望的非量化的服務質量，IPv4對TOS字節中各比特的用途規定如下圖1-3所示，

圖 1-3：IPv4對服務類型比特的規定

其中：PPP（Precedence）表示優先權，3比特（第0~2比特），用于指明報文的重要性或優先級別，以及后續參數（D、T、R）映射為實際網絡的服務質量的方式；D（Delay attribute）表示延遲屬性，1比特（第3比特）；T（Throughput attribute）表示吞吐率屬性，1比特（第4比特）；R（Reliability attribute）表示可靠性屬性，1比特（第5比特）；第6~7比特留作備用，其值恒為0。對于TOS前6比特的取值及含義具體詳見下表1-3-1。另外，RFC 795對在ARPANET、PRNET和SATNET內服務質量的映射作了具體的規定。

表 1-3-1：IPv4服務類型值

在實踐中，IPv4文本中對TOS字節中D、T、R比特的定義并未獲得實際應用，也未強制用戶使用上述比特。1981年的RFC 1700、1992年的RFC 1349和1993年的RFC 1455進一步規范了“優先級（Precedence）”之后5比特域的使用規則，將前4比特稱為TOS域，最后1比特稱為“必為零比特”（MBZ，即Must Be Zero）。此后，所有主機發送IP報文時都必須使用這5比特。下表1-3-2列出了RFC 1700和RFC 1349中總結的TOS域代碼和意義。這一規定的意圖在于利用TOS域作為路由器選擇路徑的基礎。

表 1-3-2：IPv4的TOS域之規定

從上面的討論我們可以看出：IPv4追求的服務質量是一種盡其所能的質量，在費用、可靠性、吞吐率、延時和安全性等5個方面選擇一個最重要的指標，請求網絡傳輸系統就其所能盡量滿足。這與X.25網絡和ATM網絡對服務質量的要求不同。

4、報文總長度（Internet Datagram Total Length）字段：

報文總長度字段長度為 16比特（兩個字節），用于指示報文（Datagram）總的長度，以8字節為單位，包括報頭和報文數據信息。允許IP報文的最大長度為65536字節。但由于實際網絡支持的長度可能不同，IPv4要求支持的最大報文長度至少為576字節，即至少允許存放512字節的用戶數據（64+512）；

5、報文標志符（Identification）字段：

也為16比特長度的字段，發送方指定的一種標識值，用于幫助組合數據報的“片（Fragment）”。在該報文存活期內，在同一對通信目標間的報文中，此標志符之值必須惟一。因此，在報文“片”重新合成報文時，可用它作為“片”與原報文之間的關聯標志符。

注意：互聯網片（Internet Fragment）是指帶有互聯網報頭的互聯網數據信息的一部分數據。“片”由1個或多個8字節數據塊（“片塊”，Fragment Block）組成。

6、標志字段（Flags）：

標志字段（Flags）用作各種控制標志。其字段長度為3比特，各比特的用意詳見下表1-6（注意：除最后一“片”外，前面的“片”必須為8字節（64比特）的整數倍）。

表 1-6：標志字段（Flags）各比特用用意

7、片位移（Fragment Offset）字段：

片位移字段的長度為13比特（因為前面標志字段占用3比特）。該字段表示該“片”在數據報中的位置，片偏移量以8個字節（64位）為單位測量，第一個片的偏移量為0。片由1個或多個8字節組成的數據塊（“片塊”，Fragment Block）。每個數據片中的片塊數（NFB，即Number of Fragment Block）將用作片位移的計數增量。例如：報文的第一“片”的該字段為“0”，若該“片”為512字節（NFB=64），分片后第2個報文的片位移字段內應為“64”，余類推。由于IP報文的最大長度為65536字節，故最大片位移量為8191。

8、存活期（TTL，Time To Live）字段：

TTL字段長度為8比特，用于指明報文在互聯網內還能夠生存的時間（單位：秒）。經過一個路由器，處理報頭的模塊至少對該值減1（即使處理時間不到1秒），當該值減為0時，該報文被丟棄，以防止報文在互聯網內長時間循環。目前推薦使用的存活期（TTL）的缺省初始值為64。

存活期以時間秒為單位進行計算和處理在實踐中很難進行，標準文本中也沒說怎么實現。如果以絕對時間為基礎進行計算，就要求全網時鐘同步或具有某種“時戳”（Time Stamping）系統，而該功能屬于選項，并非所有網絡都支持。在實踐中，最簡單的方法是計算跨過的中間節點數（Hop），許多IPv4協議實現就是這樣做的，IPv6已將該字段改為“Hop Limit”。

9、協議（Protocol）字段：

該字段長度為8比特。用于標志在IP報文用戶數據字段內部裝載的下層協議數據使用的協議（如：TCP），RFC 1700對此字段數字作了明確的規定。下面將IP層之上的典型協議十進制代碼列舉如下，詳見表1-9。

表 1-9：相關標準對典型IP上層協議的編號列表及協議的中英文對照

10、報頭校驗和（Header Checksum）字段：

該字段長度為16比特，只對報頭進行校驗和。由于一些報頭字段發生了變化（例如，生存時間），因此在處理互聯網報頭的每個點上都要重新計算和驗證。IPv4的16位校驗碼采用簡單的16位求反碼的方式獲得，而沒有采用循環冗余校驗方式.。

11、源地址／目的地址（Source/Destination Address）字段：

源地址和目的地址的字段長度均為32比特（4個字節），并有其專門的格式。

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12、可選項（Optional）字段：

該字段是報文頭中的可選擇部分。其字段長度可變，最大總長度為44字節。為了與報文長度為4字節的整倍數相適應，選項部分總長度也必須為4字節的整倍數，否則應通過填充字段（Padding）補齊。應當指出：盡管單個報文中可能有一個或一個以上的選項，也可能無選項，但實現IPv4協議的軟、硬件則必須支持所有種類的選項。

選項具有下圖1-12所示的通用格式，但某些選項可能只有第1字節（選項類型Option Type）。選擇類型又由3個字段（Copied Flag，Option Class和Option Number）組成，這3個字段的取值要求詳見下表1-12-1。

圖 1-12：IP報文選項通用格式示意圖

表 1-12-1：選擇類型中各字段的取值

下表1-12-2為典型IPv4選項的內部字段及選項用途說明。目前相關標準文本（RFC 1700）中定義了19種選項（注意：表1-3-1中只列出了其中的8種典型選項），它們分別與安全、源選徑、路徑記錄、連續報文流和報文在網內傳輸過程中加蓋時戳等有關。

表 1-12-2：典型IPv4選項的內部字段及選項用途說明

二、報文的數據信息

報頭后緊跟報文的數據信息。報文的數據信息即兩個互聯網模塊間應傳送的用戶數據。包括報頭（含固定長度部分和可變長度部分）最大長度為65536字節（4字節的整倍數）。

三、報文的示例

下圖3是一個IPv4的攜帶最小數據的互聯網報文的例子（注意，每個刻度表示一個比特的位置）。其報頭由5個32比特（4字節）組成，數據報的總長度為21個八位字節。這個數據報是一個完整的數據報（無“片”段）。

圖 3：IPv4的攜帶最小數據的互聯網報文示例

四、報文中比特的傳輸順序

報文中報頭和數據的傳輸順序被解析為八位字節級別。當圖表顯示一組八位元時，這些八位位元的傳輸順序是它們在英語中閱讀的正常順序。例如，在下圖4中（每個刻度表示一個比特的位置），八位位元是按照十進制的編號順序傳輸的。當八位字節表示一個數字量時，圖中最左邊的位是高階或最高有效位。也就是說，十進制標記為0的位是最高有效位。

圖 4：比特的傳輸順序

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