1 题型 - IP、UDP、TCP报文段

描述：本题型综合考查 IPv4、UDP、TCP 的首部长度和字段单位、因特网检验和、IP 分片、协议封装效率与运输层伪首部。关键是分清“IPv4 只校验首部”和“UDP/TCP 校验首部与数据”。

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1.1 三种首部快速对比

1.2 UDP 用户数据报

UDP 首部固定为 8 B，由 4 个 2 B 字段组成：

• IPv4 中 UDP 检验和可以不使用，此时字段全 0。
• IPv6 中普通 UDP 报文默认必须计算检验和；特定 UDP 隧道的外层封装报文才允许按协议要求启用零检验和模式，这不是普通 UDP 通信的可选开关。

NOTE · 教材补充：IPv6 UDP 的例外边界 408 基础题按“IPv6 UDP 检验和必须使用”判断即可；更完整的协议规定见 RFC 6935：满足其限制条件的 UDP 隧道可为指定端口启用零检验和模式，默认模式的报文仍须计算检验和。

• UDP 长度最小为 8 B，因为长度包含首部自身。

1.3 TCP 报文段

• TCP 固定首部为 20 B，带选项时最大为 60 B。
• 源端口、目的端口各 2 B。
• 序号与确认号各 4 B。
• **教材补充与纠错：**不含 SYN 的数据段，其 seq 是数据首字节序号；若设置 SYN，seq 是 SYN 的初始序号，同段数据的首字节序号为 seq+1。FIN 位于数据之后并占 1 个序号；无数据且无 SYN/FIN 的纯 ACK 不占序号。详见 RFC 9293 的序号定义。
• 确认号表示期望收到对方的下一个序号；在普通数据阶段，它通常就是下一个数据字节的序号，确认 SYN/FIN 时还须计入它们各占的 1 个序号。
• 数据偏移 Data Offset 表示 TCP 首部长度，单位为 4 B。
• 窗口字段表示允许对方继续发送的数据量，用于流量控制。
• TCP 检验和覆盖伪首部、TCP 首部与数据，IPv4 和 IPv6 中都使用。

1.4 IPv4 首部与字段单位

1.4.1 长度与地址

• IPv4 固定首部为 20 B，最大 60 B。
• 首部长度 IHL 的单位是 4 B。
• 总长度字段的单位是 1 B，值包含首部和数据。
• 片偏移字段的单位是 8 B。
• 源地址、目的地址各占 4 B。

可用口诀记住三个单位：

总长度：1 B
片偏移：8 B
首部长度：4 B

1.4.2 DF、MF 与 TTL

• DF=1：不允许分片。
• DF=0：允许分片。
• MF=1：后面还有分片。
• MF=0：这是最后一片；未分片数据报的 MF 也为 0。
• 每经过一个路由器，TTL 减 1；减到 0 时丢弃，通常向源端发送 ICMP 时间超过报文。但若原分组为广播/多播、非首片分片，或原分组本身为 ICMP 差错报文等，按 ICMP 差错报文的禁止回复规则不发送。

1.4.3 首部检验和

IPv4 检验和只覆盖首部，所以也称首部检验和。路由器转发时 TTL 会改变，必须重新计算首部检验和。

1.5 因特网检验和

1.5.1 基本计算思想

发送方通常按以下步骤计算：

1. 把检验和字段暂置 0。
2. 按 16 位字进行反码加法。
3. 最高位产生的进位回卷，加到最低位。
4. 对最终和逐位取反，写入检验和字段。

接收方把所有 16 位字连同检验和一起求反码和，正确结果应为全 1。

这种算法简单、适合路由器频繁更新 IPv4 首部，但检错能力弱于 CRC。

1.5.2 三种协议的校验范围

IPv6 取消的是 IPv6 基本首部中的首部检验和字段，不是取消整个协议栈中的 UDP/TCP 检验和。

1.5.3 首部误码与 ICMP

• 路由器若通过 IPv4 首部检验和发现首部误码，默认静默丢弃数据报，不向源主机发送 ICMP 差错报告。
• ICMP 参数问题表示必需首部字段缺失，或某些字段值在语义上不正确；这可能来自实现错误或恶意构造，不等同于“检验和查出比特误码”。
• 检测到参数问题时，路由器丢弃数据报，并可向源主机发送 ICMP 参数问题报文。

1.6 模拟题一：检验和叙述

四项叙述的判断：

只有 II 正确。

答案：A，仅 II。

1.7 IPv4 分片计算

题图给出：原 IPv4 数据报总长度 1500 B，首部 20 B，链路 MTU 为 800 B。

原数据长度：

$$ 1500-20=1480\ \mathrm{B} $$

每片可放的数据既不能超过 $800-20=780$ B，又必须是 8 B 的整数倍：

$$ \left\lfloor\frac{780}{8}\right\rfloor\times 8 =97\times 8 =776\ \mathrm{B} $$

剩余数据：

$$ 1480-776=704\ \mathrm{B} $$

分片结果：

最后一片的数据长度可以不是 8 B 的整数倍；本题恰好是。片偏移表示本片数据在原始数据部分中的起始位置，不包含任何 IP 首部。

1.8 模拟题二：HTTP 报文传输效率

HTTP 请求报文为 222 B；TCP 和 IPv4 都采用 20 B 固定首部；以太网帧头 14 B、FCS 4 B；不考虑物理层前导码。

封装后的总长度：

$$ 222+20+20+14+4=280\ \mathrm{B} $$

有效载荷效率：

$$ \eta=\frac{222}{280}\times100% \approx79.3% $$

本题网络层载荷为 $222+20=242$ B，大于以太网最小数据字段 46 B，不需要额外填充。

答案：约 79.3%。

1.9 模拟题三：UDP/TCP 伪首部

1.9.1 IPv4 伪首部结构

UDP 和 TCP 计算检验和时，在运输层报文段前临时添加伪首部：

伪首部只参与检验和计算，不作为运输层报文的一部分传输。

1.9.2 选项判断

题目问伪首部除全 0 保留字节外，还包含 IPv4 首部中的哪些字段：

I. 源 IP 地址
II. 目的 IP 地址
III. 生存时间 TTL
IV. 协议

伪首部包含 I、II、IV，不包含 TTL。

答案：D，仅 I、II、IV。

1.10 解题步骤

1. 先确定是哪一层的检验和：IPv4 只看首部，UDP/TCP 看伪首部、首部和数据。
2. 长度字段题先写单位：总长度 1 B、IHL/Data Offset 4 B、片偏移 8 B。
3. 分片时用 $\lfloor(MTU-IHL)/8\rfloor\times8$ 求非末片最大数据长度。
4. 传输效率的分母要加入每层实际出现的首部和尾部，并检查以太网是否需要填充。
5. 伪首部记住“源 IP、目的 IP、0、协议、长度”，不含 TTL。

1.11 易错点

• IPv4 首部检验和不保护数据载荷。
• IPv6 取消自身基本首部校验和，但 UDP/TCP 检验和仍然存在；普通 IPv6 UDP 默认不能省略检验和，特定隧道外层封装是受限例外。
• UDP 长度包含 8 B 首部，TCP 确认号表示期望收到的下一个字节序号。
• IP 片偏移以 8 B 为单位，TCP/IPv4 首部长度字段以 4 B 为单位。
• 非最后分片的数据长度必须是 8 B 的整数倍；最后一片可以不是。
• 首部校验和发现误码时是静默丢弃，不要误判为 ICMP 参数问题。
• 伪首部参与校验但不传输，也不含 TTL。

相关知识

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1.12 本节复盘

• UDP 首部固定 8 B；TCP 和 IPv4 首部均最小 20 B、最大 60 B。
• IPv4 只校验首部，UDP/TCP 校验伪首部、首部和数据；因特网检验和弱于 CRC。
• IPv6 取消基本首部校验和，不影响 UDP/TCP 继续使用检验和。
• 1500 B 数据报经过 MTU 800 B 链路时分为 776 B 与 704 B 数据，两片偏移为 0、97。
• 222 B HTTP 报文经 TCP、IPv4、以太网封装后的效率约为 79.3%。
• IPv4 运输层伪首部包含源 IP、目的 IP、0、协议和运输层长度，不含 TTL；模拟题三答案 D。