IP協議處于OSI參考模型的第三層——網絡層，網絡層的主要作用是實現終端節點間的通信。IP協議是網絡層的一個重要協議，網絡層中還有ARP(獲取MAC地址)和ICMP協議(數據發送異常通知)

數據鏈路層的作用在于實現同一種數據鏈路下的包傳遞，而網絡層則可以實現跨越不同數據鏈路的包傳遞。比如主機A通過Wi-Fi連接到路由器B，路由器B通過以太網連接到路由器C，而路由器C又通過Wi-Fi與主機D保持連接。這時主機A向D發送的數據包就依賴于網絡層進行傳輸。

這篇文章主要介紹IP協議的基本知識和IP首部，IP協議可以分為三大作用模塊：IP尋址、路由和IP分包。

IP地址

IP地址是一種在網絡層用于識別通信對端信息的地址。它有別于數據鏈路層中的MAC地址，后者用于標識同一鏈路下不同的計算機。

舉一個形象的例子，我要從鎮江的家里去沈陽的東北大學，通信兩端的地址分別是家和學校，他們相當于IP地址。然而沒有交通工具可以讓我從家直接去學校，所以我先要打車去火車站，然后坐高鐵到沈陽站，再轉公交去學校。這三次中轉分別屬于三種交通方式(數據鏈路)，每一次中轉都有起點和終點，他們就相當于MAC地址。每次中轉可以稱為一跳(Hop)

IP地址由32位正整數表示，為了直觀的表示，我們把它分成4個部分，每個部分由8位整數組成，對應十進制的范圍就是0-255。

比如172.20.1.1可以表示為：10101100 00010100 00000001 00000001。轉換規則很簡單，就是分別把四個部分的十進制(0-255)與8位二進制數字進行轉換。

從功能上看，IP地址由兩部分組成：網絡標識和主機標識。

網絡標識用于區分不同的網段，相同段內的主機必須擁有相同的網絡表示，不同段內的主機不能擁有相同的網絡標識。

主機標識用于區分同一網段下不同的主機，它不能在同一網段內重復出現。

32位IP地址被分為兩部分，到底前多少位是網絡標識呢？一般有兩種方法表示：IP地址分類、子網掩碼。

IP分類

IP地址分為四個級別，分別為A類、B類、C類和D類。分類的依據是IP地址的前四位：

A類IP地址是第一位為“0”的地址。A類IP地址的前8位是網絡標識，用十進制標識的話0.0.0.0-127.0.0.0是A類IP地址的理論范圍。另外我們還可以得知，A類IP地址最多只有128個(實際上是126個，下文不贅述)，每個網段內主機上限為2的24次方，也就是16，777，214個。

B類IP地址是前兩位為“10“的地址。B類IP地址的前16位是網絡標識，用十進制標識的話128.0.0.0-191.255.0.0是B類IP地址的范圍。B類IP地址的主機標記長度為16位，因此一個網段內可容納主機地址上限為65534個。

C類IP地址是前三位為“110”的地址。C類IP地址的前24位是網絡標識，用十進制標識的話192.0.0.0-223.255.255.0是C類IP地址的范圍。C類地址的后8位是主機標識，共容納254個主機地址。

D類IP地址是前四位為“1110”的地址。D類IP地址的網絡標識長32位，沒有主機標識，因此常用于多播。

子網掩碼

IP地址總長度32位，它能表示的主機數量有限，大約在43億左右。而IP地址分類更是造成了極大的浪費，A、B類地址一共也就一萬多個，而世界上包含主機數量超過254的網段顯然不止這么點。

我們知道IP地址分類的本質是區分網絡標識和主機標識，另一種更加靈活、細粒度的區分方法是使用子網掩碼。

子網掩碼長度也是32位，由一段連續的1和一段連續的0組成。1的長度就表示網絡標識的長度。以IP地址172.20.100.52為例，它本來是一個B類IP地址(前16位是網絡標識)，但通過子網掩碼，它可以是前26為為網絡標識的IP地址：

路由控制

路由控制(Routing)是指將分組數據發送到目標地址的功能，這個功能一般由路由器完成。(不要與家里用的小型無線路由器混為一談)

路由器中保存著路由控制表，它在路由控制表中查找目標IP地址對應的下一個路由器地址。下圖描述了這一過程：

主機A的地址是10.1.1.30,要把數據發往地址為10.1.2.10的主機。在主機A的路由表中，保存了兩個字段，由于目標地址10.1.2.10與10.1.1.0/24段不匹配，所以它被發往默認路由10.1.1.1也就是圖中路由器1的左側網卡的IP地址。

路由器1繼續在它自己的路由控制表中查找目標地址10.1.2.10，它發現目標地址屬于10.1.2.0/24這一段，因此將數據轉發至下一個路由器10.1.0.2，也就是路由器2的左側網卡的地址。

路由器2在自己的路由控制表中查找目標地址10.1.2.10，根據表中記錄將數據發往10.1.2.1接口，也就是自己的右側網卡的IP地址。主機B檢查目標IP地址和自己相同，于是接收數據。

路由控制表

路由控制的關鍵在于路由控制表，路由控制表可以由管理員手動設置，稱為靜態路由控制，但是估計大部分人沒這么干過。這是因為路由器可以喝其他路由器互換信息比即使自動刷新路由表，這個信息交換的協議并沒有在IP協議中定義，而是由一個叫做“路由協議”的協議管理。

環路

上圖中，假設主機A向一個不存在的IP地址發送數據，并且路由器1、2、3設置的默認路由形成了一個循環，那么數據將在網絡中不斷轉發最終導致網絡擁堵。這個問題將在下文分析IP首部時得到解決。

IP報文分割重組

在數據鏈路層中，我們已經提到過不同的數據鏈路有不同的最大傳輸單元(MTU)。因此IP協議的一個任務是對數據進行分片和重組。分片由發送端主機和路由器負責，重組由接收端主機負責。

路徑MTU發現

分片會加重路由器的負擔，因此只要條件允許，我們都不希望路由器對IP數據包進行分片處理。另外，如果一個分片丟失，整個IP數據報都會作廢。

解決以上問題的技術是“路徑MTU發現”。主機會首先獲取整個路徑中所有數據鏈路的最小MTU，并按照整個大小將數據分片。因此傳輸過程中的任何一個路由器都不用進行分片工作。

為了找到路徑MTU，主機首先發送整個數據包，并將IP首部的禁止分片標志設為1.這樣路由器在遇到需要分片才能處理的包時不會分片，而是直接丟棄數據并通過ICMP協議將整個不可達的消息發回給主機。

主機將ICMP通知中的MTU設置為當前MTU，根據整個MTU對數據進行分片處理。如此反復下去，直到不再收到ICMP通知，此時的MTU就是路徑MTU。

以UDP協議發送數據為例：

重組

接收端根據IP首部中的標志(Flag)和片偏移(Fragment Offset)進行數據重組。具體內容將在分析IP首部時詳細解釋。

IP首部(IPv4)

IP首部是一個有些復雜的結構，我們不用記憶它的結構，只需了解每個部分的作用即可，這樣可以加深對IP協議的理解。

其中幾個重要的部分介紹如下：

• 總長度(Total Length)：表示IP首部與數據部分總的字節數，該段長16比特，所以IP包的最大長度為65535字節(2^16)。雖然不同數據鏈路的MTU不同，但是IP協議屏蔽了這些區別，通過自己實現的數據分片功能，從上層的角度來看，IP協議總是能夠以65535為最大包長進行傳輸。

• 標識（ID：Identification）：用于分片重組。屬于同一個分片的幀的ID相同。但即使ID相同，如果目標地址、源地址、上層協議中有任何一個不同，都被認為不屬于同一個分片。

• 標志（Flags）：由于分片重組，由三個比特構成。

  第一個比特未使用，目前必須是0。

  第二個比特表示是否進行分片，0表示可以分片，1表示不能分片。在路徑MTU發現技術中就用到了這個位。

  第三個比特表示在分片時，是否表示最后一個包。1表示不是最后一個包，0表示分配中最后一個包。

• 片偏移（FO: Fragment Offset）：由13比特組成，表示被分片的段相對于原始數據的位置。它可以表示8192(2^13)個位置，單位為8字節，所以最大可以表示8 x 8192 = 65536字節的偏移量。

• 生存時間（TTL: Time To Live）：表示包可以經過多少個路由器的中轉。每經過一個路由器，TTL減1。這樣可以避免前文提到的無限傳遞包的問題。

• 協議： 表示IP首部的下一個首部屬于哪個協議。比如TCP協議的編號為6，UDP編號為17.
• 首部校驗和：用于檢查IP首部是否損壞
• 可選項：僅在試驗或診斷時用，可以沒有。如果有，需要配合填充（Padding）占滿32比特。