IP协议（网际协议）

IPV4

IP（Internet Protocol）网际协议，是TCP/IP协议的核心部分，虽然IPV4终将会被IPV6替代，但是目前IPV4仍然是IP协议的主流版本。

IP协议首部格式（IPV4）

•  4位版本号（Version）：用来指定IP协议的版本，IPV4的版本号就是4，如果这个IP报文是IPV4版本，那么这个字段的值就是4，用4位来标识就是0100。IPV6的版本号则是6。
• 4位首部长度（Internet Header Length）：表明IP首部的大小，单位是4个字节，length * 4的字节数，因为这一字段共4个比特位，所以这一字段最大值为2 ^ 4 - 1即15，所以IP首部最大长度为15 * 4即60字节；在默认情况下，该字段被设置为5，所以默认IP首部20字节。
• 8位服务类型（Type Of Service）：前三位表示优先度（已经弃用），第4位表示最低延迟、第5位表示最大吞吐、第6位表示最大可靠性、第7位表示最小代价，这四位互相冲突，只能选择一个。需要根据不同情况进行选择，如果是SSH/TELNET这类远端登录，那么就应该选择最小延时，如果是FTP类型的程序，则应该选择最大吞吐量；第8位是保留位，目前没有使用，必须填0。
• 16位总长度（Total Length）：表示IP首部和后面携带的数据部分一共有多少个字节。该字段有16个比特位，因此IP数据报整体最大长度为65535个字节。
• 16位标识（ID）：唯一地标识主机发送的报文，如果一份IP报文在数据链路层被分片，那么每一片的该字段应该都是相同值。帮助对端主机在接收后进行分片重组。
• 3位标志（Flag）：第一位保留（保留的意思是现在不使用，未来如果需要的话再使用），必须填0；第二位用来指明是否可以分片，如果为0则可以分片，如果为1则不能分片，假如一个IP报文禁止分片且长度还大于了MTU（Maximum Transmission Unit最大传输单元，后面详细介绍），则该本文只能被丢弃；如果报文被分片，第三位为1表示它是分片中段的报文，即后续还有分片报文，如果第三位为0则表示这是最后一片。
• 13位片偏移（Fragment Offset）：该字段表示分片相对于原始IP报文开始处的偏移量，其实就是表示当前分片在原报文中所处的位置，第一个分片对应值为0。由于该字段总共13个比特位，因此最多可以表示2 ^ 13即8192个相对位置。单位为8字节，所以最大可以表示8192 * 8 = 65536个字节的位置。
• 8位生存时间（Time To Live）：数据报到达目的地的最大报文跳数（Hop，指网络中一个区间，IP数据包正是在网络中一个跳间被转发），一般为64，每次经过一个路由，TTL–，如果TTL == 0时还没到达目的地，那么这个报文就会被丢弃。这个字段主要是为了防止出现路由循环，数据包在一个循环中一直转发，浪费网络资源。
• 8位协议（Protocol）：表示IP的上层是什么协议，我们熟知的TCP、UDP、ICMP等都是在IP上层的。
• 16位首部校验和（Header Checksum）：使用CRC进行校验，鉴别IP首部是否收到损坏，如果损坏直接丢弃，它只校验IP头部，不校验下面的内容，因为内容部分的校验是上层传输层（TCP）需要考虑的，IP协议只要发现首部有问题就直接丢弃该报文。
• 32位源IP地址（Source Address）：表示发送端的IP。
• 32位目的IP地址（Destination Address）：表示接收端的IP。
• 选项字段（Options）：不定长，最大可以到40个字节。

分片与组装：

MTU（Maximum Transmission Unit最大传输单元）是在IP层下面的MAC协议中的概念，MAC协议我们可以理解为是物理层的一些协议，它位于IP协议的下层，那么在发送数据时相当于是用户数据 + 应用层协议报头（如HTTP请求报头）作为有效载荷交给传输层（如TCP协议），TCP协议再将TCP报头 + 应用层传来的数据下交给IP层，IP层再将IP协议首部 + TCP层传来的TCP报文交付给MAC帧。因此每个MAC帧其实是IP协议首部 + IP层的有效载荷。而MAC帧是有长度限制的，所以就要求IP数据报向下交付时并不是随心所欲想发多长就发多长，如果MAC帧要求MTU为1500字节，而IP数据包总长度有2000字节，那么就需要分片，将原有的IP数据包分成两片，依次发送，对端的主机在接收后，由对端的IP层再完成组装。我们在Linux环境下可以使用ifconfig命令查看到MTU。

 分片和组装对于上层TCP/UDP和下层的MAC都是透明的，即上层和下层都不知道IP层将数据包进行了分片操作，因此分片和组装操作会由发送方IP层和接收方IP层自动完成。但是分片意味着需要把一份数据变为多组数据传输，并且在对端还需要进行组装，这样会大大降低网络传输效率以及提升错误风险，因此在传输过程中应当尽量避免分片，即尽量不要发送超过MTU长度的IP数据报。

IP地址

IP地址的定义：

IPV4中我们由32位正整数来表示IP地址，计算机内部会直接以二进制来保存IP地址，不过人并不善于记忆二进制整数，所以我们采用点分十进制来记录IP地址：即将32位IP地址每8位一组，分成4组，组间用’ . '进行分隔，再将每组转换为十进制。

因此我们可以直接算出，在IPV4标准下最多有2 ^ 32 = 4292967296个IP地址，但是能被人们使用的远远不足这个数字。（比如某些IP地址是有特殊作用被预留的，某些设备如路由器会占有多个IP地址）

IP地址的组成：

IP地址由网络标识（网络地址）和主机标识（主机地址）两部分组成。

网络号：保证互相连接的两个网段具有不同的标识。

主机号：保证在同一个网段中，两台主机具有不同的标识。

IP地址的划分：

IP地址划分为五个级别，分别为A类、B类、C类、D类和E类（一直没有使用过），所以目前我们所能见到的IP地址只有A、B、C、D四类。划分的依据就是IP地址从第1位到第4位的比特位。

A类地址：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
B类地址：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
C类地址：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
D类地址：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
E类地址：240.0.0.0 ~ 247.255.255.255

引入子网掩码：
随着Internet的发展，使用前四位是否为1来分类的方案弊端开始显现：那就是很多子网的申请者都会去申请B类网络地址，因为A类根本用不完，而C类不够用。导致B类的网络地址很快就被分配完了。而申请了A类的网络又会浪费大量的IP地址，在这种情况下，人们提出了新的划分方案：CIDR（Classless Interdomain Routing无类型域间选路）

• 引入子网掩码来区分网络号和主机号
• 子网掩码也是一个32位的正整数，但结尾通常是一串0
• 将IP地址与子网掩码进行&操作，所得结果就是网络号
• 网络号和主机号的划分就与这个IP地址是A类、B类还是C类无关了

一些特殊的IP地址

将IP地址中的主机地址全设置为0，即该局域网的网络号，这个IP地址代表这个局域网。
将IP地址中的主机地址全设置为1，可以变成广播地址，这个广播地址可以给同一个链路中互相连接的所有主机发送数据包
127.*的IP地址用于本地环回测试，通常是127.0.0.1

私有IP地址和公网IP地址

RFC1918规定了组建局域网的私有IP地址的规范：

10.* 前8位是网络号，共有16,777,216个地址
172.16.*~172.31.* 前12位是网络号，共有1,048,576个地址
192.168.* 前16位是网络号，共有65,536个地址
上述范围内的IP地址都是私有IP，不在上述范围内的IP则为全局IP地址（公网IP地址）。

IPv6

IPv6由40个字节的固定头部和可变长的扩展头部组成。

 

• 4位版本号：IP协议版本，IPv6值为6
• 8位通信类型：指示数据通信类型和优先级
• 20位流标志：用于某些对连接服务质量有特殊要求的通信。
• 16位净荷长度：指IPv6扩展头部和应用程序数据长度之和，不包含固定头部长度
• 8位下一个包头：指紧跟IPv6固定头部的包头类型，如扩展头或上层协议。
• 8位跳数限制：和IPv4的TTL含义相同
• 后两项IP地址：IPv6地址一般用16进制字符串表示，用‘:’分割为8组，每组两个字节。

参考：(210条消息) IP协议详解_长岛冰茶去冰的博客-CSDN博客_ip协议