【25软考网工】第五章（2）IPv4 报文格式、分片计算 、地址分类

一、IPv4报文格式

1.IP报文格式

1）版本（4位） IPv4报文版本字段固定为0100，对应十进制为4，表示IPv4报文。 IPv6报文版本字段固定为0110，对应十进制为6。 2）头部长（5-15，单位4字节） 头部长字段为4位,为2^4=16,可以表示的数值[0,15]，单位为4字节，取值范围5-15，对应20-60字节。 IPv4头部（20~60字节）： IPv4报头长度可变，基本IP头部为20字节，通过选项字段可扩展至最多60字节。

• 基本IP头部长度：5x4B=20B
• IP头部最长：15x4b=6B

3）TOS字段（8位） 用于区分服务，设置不同服务的优先级。例如，可将重要服务的优先级设为较高值。 4）总长度（16位） 16位字段，表示IP报文的总长度，包含IP报头。最大值为2^16-1=65535字节。 5）标识（16位） 相当于IP报文的ID，每发送一次加一，用于唯一标识报文。 6）标志（3位）和分片偏移（13位） 涉及IP分片 7） 生存期（TTL，8位） 设置数据包可经过的路由器上限，每经过一个路由器TTL减一。取值范围0-255。 8）协议（8位） 包含一个数字，表示IP报文内封装的上层协议类型。例如，协议号1表示ICMP，6表示TCP，17表示UDP。 9）头部校验和（16位） 对IP头部进行校验，校验值放在该字段。由于TTL值每经过一个路由器会变化，因此头部校验和需重新计算。 10）源IP地址、目的IP地址（32位） 32位源IP地址和目的IP地址 11 ）选项字段（任意） 可选字段，最多320位即最大40字节。若存在，则IP头部最大可达60字节。 12） IP数据（任意） 数据部分最多65515字节（65535字节减去20字节基本头部）。

2.应用案例

1）例题:IPv4报文样式

通过wireshark抓包可以观察IPv4报文的格式：

2）例题:IHL字段最小值和最大值

解析: IHL字段占4位，单位为4字节，可表示最小值为5（54字节=20字节），最大值为15（154字节=60字节）。因此，IP头部长度最小为20字节，最大为60字节。

答案选A。

3）例题:IPv4无限转发控制字段

解析: 为控制IP数据报在网络中无限转发，IPv4数据报首部设置了TTL（生存期）字段。TTL值每经过一个路由器减一，当TTL值为0时，数据包被丢弃，最大为255。

答案选C。

4）例题:IPv4最大长度

解析: IPv4报文的最大能表示为2^16=65536[0,65535]，最大长度65535字节。

答案选D。

5）例题:IP报酬首部有填充原因

解析: IP报酬首部有填充字段的原因是IHL（首部长度）必须是4字节（32位）的整数倍。如果不够，需用全0填充字段补齐。

答案选A。

10）例题:IPv4首部最大值

解析: IPv4首部的最大值为60字节，原因是IHL字段长度为4比特，最大能表示16个数（0-15），但单位取4字节，因此实际使用5-15这些数值，对应20-60字节。

答案选D,B，IHL字段长度为4比特。

3.知识小结

二、IP分片计算

1. IP分片定义

传输限制：IP报文最大长度65535字节，以太网MTU（最大传输单元）为1500字节 运输类比：相当于货轮（65535载重）需将货物分装给多个火车（1500载重）运输 帧结构：以太网帧包含首部14字节 + IP首部20字节 + TCP首部20字节+应用数据+尾部4字节，MTU范围46−1500字节

1）例题#IP分组分片计算

隐含条件：标准IP头部长度20字节，MTU1500字节 计算步骤：

• 原始数据：3000字节（含头）→ 数据部分2980字节（3000−20）
• 分片1：总长1500字节（含20字节头），数据1480字节
• 分片2：同分片1，数据1480字节
• 分片3：剩余数据20字节（2980−1480×2），总长40字节（20+20）

MF标志：

• 分片1/2置1（后续有分片）
• 分片3置0（末片）

偏移量计算：

• 分片1：0（基准）
• 分片2：1480/8=185（以8字节为单位）
• 分片3：(1480+1480)/8=370

总长度变化：原始3000字节→分片后3040字节（多出40字节来自新增的2个IP头） 攻击案例：泪滴攻击（Teardrop）通过篡改偏移量使分片无法重组

2. 类比理解IP分片

类比模型：

• 大型集装箱：总重3000斤（货物2980斤+箱体20斤）
• 小型集装箱：限重1500斤（箱体均重20斤）

分装方案：

• 前2箱：各装1480斤货物（总重1500斤）
• 第3箱：装20斤剩余货物（总重40斤）

对应关系：货物重量=IP数据长度，箱体重量=IP头部长度

3. 应用案例

1）例题#分片计算

分片数量计算：当IP数据报总长度3000B经过MTU为1500B的链路时，需分成3片。第一片数据部分1480B（总长1500B含20B首部），第二片相同，第三片剩余20B数据（总长40B）。

偏移量计算：最后一个分片的Offset字段值为370，计算方式为1480*2/8=370（1480是前两片数据长度，8是因偏移量以8字节为单位）。

首部说明：标准IP首部为20字节（无可选字段时），每个分片都需携带独立首部。

答案：（24）B,（25）A

2）例题#分段和重装配字段作用

字段功能：

• 段偏置值：指示分片在原始报文中的位置（如370表示从第370*8=2960字节开始）
• M标志：MF=1表示后续还有分片，MF=0表示当前是最后分片
• 报文ID：同一报文的所有分片标识符相同
• 数据长度：记录当前分片的数据部分长度

典型错误：易混淆M标志与段偏置值的作用，需注意M标志只表示分片连续性。

答案：（23）A , (24)B

3）例题#分段和重装配用到哪些字段

核心字段：

• 标识符：唯一标识同一报文的不同分片（如随机生成的16位ID）
• M标志：More Fragment位，分片连续性指示
• 片偏移：以8字节为单位的相对位置
• 数据长度：当前分片有效载荷长度

重组原理：接收方通过标识符聚合分片，按片偏移排序，当收到MF=0的分片时完成重组。

答案：（16）B，（17）D, (18)A

4）例题#分片计算

分片细节：

• 3000B报文在1500B MTU链路中分为3片（1480+1480+20数据）
• 最后分片总长40B（20B首部+20B数据），但实际以太网需填充至64B

注意点：题目可能忽略最小帧长限制，实际网络传输时需考虑数据链路层要求。

答案：（22）B, (23)B

5）例题#分片叙述判断

IPv4/6区别：IPv4允许中间路由分片，IPv6通过MTU发现机制避免中间分片（仅在源端分片）

重组位置：始终在目的端重组，因分组交换可能导致分片走不同路径

分片验证：4000B报文分3片，最后一片MF=0且offset=370（1480*2/8）正确

典型错误：选项B错在"路由器重组"，选项C的"每片4000B"明显矛盾

答案：D

6）例题#IP分片重组地点

分片发生点：

• IPv4：源端或中间路由器（当MTU突然变小时）
• IPv6：仅源端（通过Path MTU Discovery预先确定最小MTU）

重组原则：

• • 必须目的端重组，因分片可能经不同路由到达
  • 中间路由器不存储状态，无法保证收齐所有分片

记忆技巧："IPv4处处可分，IPv6源头搞定；重组只看终点，路由绝不等待"

答案：B

4.知识小结

三、IPv4地址分类

基本结构：IPv4地址为32位二进制数，分为A、B、C、D、E五大类 主要分类：

• A-C类：单播地址，应用最广泛
• D类：组播地址，部分场景使用
• E类：保留地址，科研用途

地址范围：

• A类：1.0.0.0-127.255.255.255（排除特殊地址。10.0.0.0~10.255.255.255私有地址；127.X.X.X保留地址，用于循环测试）
• B类：128.0.0.0-191.255.255.255（172.16.0.0~172.31.255.255私有地址，169.254.X.X保留地址）
• C类：192.0.0.0-223.255.255.255（192.168.0.0~192.168.255.255私有地址）
• D类：224.0.0.0-239.255.255.255
• E类：240.0.0.0-255.255.255.255

1. 特殊IPv4地址

1）0.0.0.0 主机端：

• DHCP分配过程中表示本机
• 示例：DHCP Discovery报文源地址为0.0.0.0，目的地址255.255.255.255，UDP端口68→67

服务器端：

• 表示本机所有IPv4地址
• 示例：Web服务监听0.0.0.0时，可通过任意本机IP访问

路由：

• 表示默认路由，当无精确匹配时使用

2)255.255.255.255 三层广播地址：

• 目标地址为255.255.255.255时，同一广播域内所有主机都会接收
• 广播域范围可变，与子网划分相关

3）169.254.0.0/16 自动专用地址(APIPA)：

• DHCP故障或超时时自动分配
• 可进行局域网通信但无法访问互联网
• 示例：两台169.254.x.x主机可互相通信

4）127.0.0.0/8 本地环回地址：

• 范围：127.0.0.1-127.255.255.255
• 功能：ping通任意127.x.x.x地址证明TCP/IP协议栈正常

5）RFC1918私有IP地址 特性： 不能直接访问公网，需通过NAT转换 地址范围：

• A类：10.0.0.0/8（10.0.0.1~10.255.255.255）1个A类网络
• B类：172.16.0.0/12（172.16.0.1~172.31.255.255）16个B类网络聚合
• C类：192.168.0.0/16（192.168.0.1~192.1689.255.255）256个C类网络聚合

6）常见组播地址

• 224.0.0.1：所有主机
• 244.0.0.2：所有路由器
• 224.0.0.5：所有运行OSPF路由器
• 224.0.0.6：DR/BDR的组播接收地址
• 224.0.0.9：RIPv2组播更新地址
• 224.0.0.18：VRRP组播地址

2. 应用案例

1）例题：自动专用IP地址范围和使用情况

• 关键点：APIPA地址范围为169.254.0.0/16
• 使用场景：DHCP分配失败时自动获取
• 答案：27题B，28题B

2）例题：私有地址个数和地址描述判断

• A类错误：仅1个私有地址段（10.0.0.0/8）
• B类错误：范围应为172.16.0.0-172.31.255.255
• C类正确：256个C类网络（192.168.0.0/16）
• 答案：D

3）例题：RIP路由协议

• RIP度量标准：跳数（A）
• RIPv2组播地址：224.0.0.9（C）
• 对比：OSPF使用224.0.0.5和224.0.0.6
• 答案：23题A，24题C

3.知识小结