第3章 IP协议详解

3、IP协议详解：IPv4报文结构、IP分片与重组、子网划分与CIDR、IPv6基础与调试

IP协议，说白了就是网络世界的「地址系统」。没有它，数据包就像没有收件人的快递，满世界乱跑。我做了这么多年嵌入式网络开发，调试IP层的问题是最多的——不是报文格式错了，就是分片没处理好，要么就是子网掩码配错了。今天咱们就把IP协议这块硬骨头啃下来。

IPv4报文头部固定20字节，后面跟选项字段（最多40字节）。我刚开始看这个结构时，觉得字段太多了。其实真正需要关注的，就那么几个。

我的调试习惯：抓包时先看「总长度」和「首部长度」。如果总长度小于首部长度，那报文肯定坏了。我曾经在调试一个LwIP协议栈时，发现报文总是被丢弃，最后定位到是首部长度字段写错了——写成了6（24字节），但实际只有20字节。

为什么需要分片？因为链路层有MTU限制。以太网MTU是1500字节，Wi-Fi通常是1500，有些PPP链路只有576。IP层发现报文超过MTU，就得切碎它。

分片规则其实不复杂：

注意：分片重组只在接收端进行。中间路由器只负责分片，不负责重组。我曾经遇到过一个坑：某个嵌入式设备发送的UDP报文超过MTU，但DF位被置1了。结果报文被路由器丢弃，设备还没收到ICMP错误——因为ICMP被防火墙过滤了。排查了整整两天。

重组时，接收端需要：

嗯，这里要注意：嵌入式设备内存有限，重组缓冲区不能太大。我一般建议设置成最大报文长度65535字节，但实际中很少用到这么大。如果内存紧张，可以限制只重组小于2048字节的报文。

子网划分，说白了就是把一个大网络切成小网络。CIDR（无类别域间路由）则是用「IP地址/前缀长度」的方式来表示网络。

举个例子：192.168.1.0/24，表示前24位是网络号，后8位是主机号。这个网络有256个地址，但可用的是254个（去掉网络地址和广播地址）。

我刚开始学的时候，总是记不住子网掩码。后来发现一个规律：

  实用技巧：在嵌入式设备中配置IP时，我习惯用CIDR表示法。比如配置一个静态IP：192.168.1.100/24，比写子网掩码255.255.255.0更直观。很多轻量级协议栈（如LwIP）都支持这种格式。

子网划分的实战场景：

你想想看，如果不划分子网，所有设备都在一个广播域里，ARP广播满天飞，网络性能肯定受影响。

IPv6地址128位，写成8组16进制数。比如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。可以省略前导0，连续0可以用::代替（只能一次）。

IPv6和IPv4最大的区别：

我的经验：调试IPv6时，最常用的命令是ping6和traceroute6。在嵌入式设备上，我习惯先检查链路本地地址（fe80::/10）是否配置成功。如果链路本地地址都不通，那全局地址肯定也通不了。

IPv6的调试要点：

我曾经调试过一个物联网项目，设备死活获取不到IPv6地址。抓包一看，路由器通告报文到了，但设备没响应。最后发现是协议栈的NDP实现有bug——没有正确处理RA报文中的前缀信息选项。修了3行代码就好了。

避坑指南：我曾经在调试IPv6时，发现设备能ping通链路本地地址，但ping不通全局地址。排查了半天，发现是防火墙把ICMPv6的「邻居请求」报文给过滤了。IPv6的邻居发现依赖ICMPv6，千万别把ICMPv6全禁了。

最后说一句：IPv6迟早要全面铺开。现在嵌入式设备如果不支持IPv6，过几年可能就卖不出去了。我建议你在新项目中，至少把IPv6的链路本地通信做起来，这是最低要求。