# IPv4 - IPv4 Header

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## 課程影片

### 第 7C 講 路由器運作原理以及網路互連技術 L07 3

{%youtube YDc9bV_PfFQ %}

### 第 7F 講 路由器運作原理以及網路互連技術 L07 6

{%youtube zH4Ep41EgfI %}

### [Python Network Packet Sniffer Tutorial - 4 - Unpacking IP Packet Headers](https://youtu.be/oKUkbMz5q7Y)

Note: this series starts from Ethernet packet sniffing.

{%youtube oKUkbMz5q7Y %}

## IPv4 Header Format

參考 [RFC791](https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc791)：

    0                   1                   2                   3
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                       Source Address                          |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Destination Address                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Linux 核心則定義在 [`include/uapi/linux/ip.h`](https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/include/uapi/linux/ip.h#L86) 中：

struct iphdr {
	__u8	version:4,
  		ihl:4;
	__u8	tos;
	__be16	tot_len;
	__be16	id;
	__be16	frag_off;
	__u8	ttl;
	__u8	protocol;
	__sum16	check;
	__be32	saddr;
	__be32	daddr;
	/*The options start here. */
};

## `saddr` 與 `daddr` --- 發送者與接收者的 IP

`saddr` 為發送方的 IPv4 位址，而 `daddr` 則為接送方的 IPv4 位址。

## `id` 與 `frag_off` --- 屬於哪一份資料的哪一個部分？

使用 IP 協定傳輸資料時，一個完整的資料有可能被切分成多個部分，稱為 *fragment*。除此之外，當路由器在轉送封包時，因為不同傳遞媒介的 MTU (*maxima transmision unit*) 有可能不同。如果從一個網路轉送給另外一個網路時，發現單一封包擠不進另外一個網路的 MTU 時，就有可能在轉送的過程中切割從這些封包。比如說：乙太網路單一訊框能承載的資料大小與 WiFi 不同，因此若路由器要將來自 WiFi 的封包轉送給乙太網路，就可能需要切割封包。這些切割的小片段稱為 *fragement*。

這些切割的片段最終需要組合起來，而組合的依據就是 `id` 與 `frag_offset`。 `id` 來確認這些封包的內容是否同屬於一個完整的資料，而 `frag_offset` 則表示這個封包裝得是原先封包哪一個部分的資料。他的單位並不是位元組，而是以 8 位元組為一個單位。也就是當 `frag_offset` 為 $N$ 時，指得是「這個封包裝的 `data`，裝的是原先封包的資料中第 $8N$ 位元組開始」的資料。

## `protocol` --- 上層協定是什麼？

`protocol` 欄位用來表示這一個 IP 封包是拿來裝「L4 中哪個協定」的資料（按：目前所在的 IP 協定是 L3）。

## `ttl` --- 還可以被轉送幾次？

雖然英文用語是 *time to live*，但實際上是一個用來表示「這個封包還可以被路由器轉送幾次」的計數器。這個欄位一開始會是個非零的數值，而每當封包被路由器轉送一次，這個數值就會減一。當一個路由器發現一個封包的 `ttl` 欄位歸零時，就會捨棄這個封包。

會有這個理由是：如果大量迷路的封包累積在網路中不斷地被轉送，會佔據大量的流量。為了不讓他們持續遺留在網路中於是設計這個機制。

## `flag` --- 封包的屬性

      Bit 0: reserved, must be zero
      Bit 1: (DF) 0 = May Fragment,  1 = Don't Fragment.
      Bit 2: (MF) 0 = Last Fragment, 1 = More Fragments.

          0   1   2
        +---+---+---+
        |   | D | M |
        | 0 | F | F |
        +---+---+---+

### `DF` --- 封包能不能被切割？

指定封包的屬性。比如說 `DF` 欄位表示這個封包可不可以被切割？如果 `flag` 中被設定了這個值，就表示這個封包不可以被切割。那麼要嘛就幫他找一條都不用分割的路徑，或是如果這樣的路徑找不到，就只能丟棄它。

### `MF` --- 是不是某個封包的片段？

而 `MF` 位元表示「這個封包是某個被切割的封包的其中一個片段」。如果設為 `1`，表示「目前這個封包不是最後一個片段」; 反之就表示「它是最後一個片段」：


## `tos` --- 封包的種類

這 8 個位元又細分為幾個欄位。包含：

      Bits 0-2:  Precedence.
      Bit    3:  0 = Normal Delay,      1 = Low Delay.
      Bits   4:  0 = Normal Throughput, 1 = High Throughput.
      Bits   5:  0 = Normal Relibility, 1 = High Relibility.
      Bit  6-7:  Reserved for Future Use.
         0     1     2     3     4     5     6     7
      +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
      |                 |     |     |     |     |     |
      |   PRECEDENCE    |  D  |  T  |  R  |  0  |  0  |
      |                 |     |     |     |     |     |
      +-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+

### Precedence

這個欄位的前 3 個位元表示這個封包是一般資料的封包？或是網路的控制封包？

        Precedence

          111 - Network Control
          110 - Internetwork Control
          101 - CRITIC/ECP
          100 - Flash Override
          011 - Flash
          010 - Immediate
          001 - Priority
          000 - Routine

相關常數在 [`include/uapi/linux/ip.h`](https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/include/uapi/linux/ip.h#L30) 中有定義：

#define IPTOS_PREC_MASK		0xE0
#define IPTOS_PREC(tos)		((tos)&IPTOS_PREC_MASK)
#define IPTOS_PREC_NETCONTROL           0xe0
#define IPTOS_PREC_INTERNETCONTROL      0xc0
#define IPTOS_PREC_CRITIC_ECP           0xa0
#define IPTOS_PREC_FLASHOVERRIDE        0x80
#define IPTOS_PREC_FLASH                0x60
#define IPTOS_PREC_IMMEDIATE            0x40
#define IPTOS_PREC_PRIORITY             0x20
#define IPTOS_PREC_ROUTINE              0x00

### `D`、`T`、`R`

`D` 設為 `1` 表示 *low delay*，而 `T` 設為 `1` 表示 *high throughput*、`R` 被設為 `1` 則表示 *high reliability*：

      Bit    3:  0 = Normal Delay,      1 = Low Delay.
      Bits   4:  0 = Normal Throughput, 1 = High Throughput.
      Bits   5:  0 = Normal Relibility, 1 = High Relibility.
      Bit  6-7:  Reserved for Future Use.

在 [`include/uapi/linux/ip.h`](https://elixir.bootlin.com/linux/latest/source/include/uapi/linux/ip.h#L23) 中有定義相關常數：

#define IPTOS_TOS_MASK		0x1E
#define IPTOS_TOS(tos)		((tos)&IPTOS_TOS_MASK)
#define	IPTOS_LOWDELAY		0x10
#define	IPTOS_THROUGHPUT	0x08
#define	IPTOS_RELIABILITY	0x04
#define	IPTOS_MINCOST		0x02

這些欄位用來表示一個封包處理的優先程度。

## 其他欄位

### `tot_len` --- 封包的長度

封包的總長度。

### `check` --- 校驗碼

這整個 *header* 的 *checksum*（包含 *option*）

### `version` --- IP 協定的版本

這個封包使用 IPv4 或是 IPv6。