一、IP

在計算機網絡中，IP（Internet Protocol，網際協議）是網絡層的核心協議，用于實現跨越不同網絡的數據包傳輸。IP 是 TCP/IP 協議族的核心部分，屬于網絡層協議，也是 Internet 賴以運作的基礎協議之一。

IP 協議負責：

• 為設備分配唯一的IP地址；
• 封裝、傳輸和路由數據包；
• 在多個子網和網絡之間轉發數據，實現“盡力而為”的交付；
• 提供無連接、不可靠的數據包傳輸服務。

IP 不保證數據可靠送達，它只負責把數據“盡力送到目標地址”。

核心特點：

特點	說明
無連接	不建立連接，直接發送數據包
不可靠	不保證數據包送達、不重傳
盡力而為交付	有可能丟包、重復或亂序
分包和重組	超過 MTU 的數據會被分片
路由尋址	支持通過路由器跨網絡轉發數據包

二、IP 協議的主要版本

協議版本	簡稱	說明
IPv4	Internet Protocol version 4	當前主流協議，32位地址
IPv6	Internet Protocol version 6	新一代協議，128位地址，解決 IPv4 地址耗盡問題

三、IP數據報文結構

參考書——計算機網絡 (第8版）- 謝希仁。

1. IPv4報文結構

IPv4 報文頭至少 20 字節，結構如下：

• 版本：占4位， 指協議IP的版本，對IPv4該字段是4。
• 首部長度：占4位， 可表示的最大十進制數值是15。請注意，首部長度字段所表示數的單位是32位字長( 1個32位字長是4字節） 。
• 區分服務：占8位， 用來獲得更好的服務。
• 總長度：總長度指首部和數據之和的長度， 單位為字節。總長度字段為16位， 因此數據報的最大長度為$2^{16}$ - 1 = 65535字節。
• 標識(identifi cation) ：占16位。IP 軟件在存儲器中維持一個計數器， 每產生一個數據報，計數器就加1 , 并將此值賦給標識字段。
• 標志(flag)： 占3位。
• 片偏移：占13位。片偏移指出：較長的分組在分片后， 某片在原分組中的相對位置。
• 生存時間：占8位， 生存時間字段常用的英文縮寫是TTL (Time To Live)， 表明這是數據報在網絡中的壽命。
• 協議：占8位， 協議字段指出此數據報攜帶的數據使用何種協議， 以便使目的主機的IP層知道應將數據部分上交給哪個協議進行處理。
• 首部檢驗和：占16位。這個字段只檢驗數據報的首部， 但不包括數據部分。
• 源地址：占32位。發送IP數據報的主機的IP地址。
• 目的地址：占32位。接收IP數據報的主機的IP地址。

2. IPv6報文結構

IPv6 報文頭至少 40 字節，結構如下：

• 版本(version) ：占4位。它指明了協議的版本， 對 IPv6 該字段是6。
• 通信量類(traffic class) ：占8 位。這是為了區分不同的 IPv6 數據報的類別或優先級， 和IPv4 的區分服務字段的作用相似。目前正在進行不同的通信量類性能的實驗。
• 流標號(flow label) ：占20位。IPv6 的一個新的機制是支持資源預分配， 并且允許路由器把每一個數據報與一個給定的資源分配相聯系。
• 有效載荷長度(payload length) ：占16位。它指明 IPv6 數據報除基本首部以外的字節數（ 所有擴展首部都算在有效載荷之內） 。這個字段的最大值是64 KB (65535 字節）。
• 下一個首部(next header) ：占8位。它相當千 IPv4 的協議字段或可選字段。
• 跳數限制( hop limit ) ：占8位。用來防止數據報在網絡中無限期地存在。
• 源地址：占128 位。是數據報的發送端的 IP 地址。
• 目的地址：占128位。是數據報的接收端的 IP 地址。

四、IP 地址與子網

1. IP 地址分類（IPv4）

類別	范圍	用途
A	1.0.0.0 - 126.0.0.0	大型網絡
B	128.0.0.0 - 191.255.0.0	中型網絡
C	192.0.0.0 - 223.255.255.0	小型網絡
D	224.0.0.0 - 239.255.255.255	多播
E	240.0.0.0 - 255.255.255.255	實驗用途

IP地址分類圖示：

2. 子網掩碼

子網掩碼（Subnet Mask） 是用于劃分網絡地址與主機地址的關鍵機制。
通過子網掩碼，我們可以判斷兩個 IP 地址是否屬于同一個子網，并支持將一個 IP 網絡進一步劃分成多個子網，優化地址使用與網絡管理。

工作原理（與運算）：
子網掩碼通過與 IP 地址進行按位與（AND）運算來提取網絡地址：

IP：      192.168.1.10   → 11000000.10101000.00000001.00001010  
掩碼：    255.255.255.0  → 11111111.11111111.11111111.00000000  
網絡地址：             → 11000000.10101000.00000001.00000000 → 192.168.1.0

五、IP 的關鍵機制

1. 分片與重組

分片（Fragmentation）與重組（Reassembly）是 IP 協議在傳輸大型數據包時為適應不同網絡鏈路的最大傳輸單元（MTU）所采用的重要機制，主要在 IPv4 中使用。

• 當 IP 數據包超過鏈路的最大傳輸單元（MTU）時，會被分片傳輸；
• 接收端將分片重組成原始數據；
• 重組只在目的主機完成，中間路由器不重組。

分片示例：
參考書——計算機網絡 (第8版）- 謝希仁。

2. TTL（Time To Live）

• 限制數據包在網絡中的“壽命”；
• 每經過一個路由器，TTL 減 1；
• TTL 為 0 時，數據包被丟棄，防止路由環路。

3. 路由與轉發

• IP 依靠路由器將數據包從源主機傳送到目的主機；
• 每個路由器根據目標IP地址和路由表決定下一跳。

六、IPv4 vs IPv6

項目	IPv4	IPv6
地址長度	32 位（4字節）	128 位（16字節）
地址表示	十進制，如 192.168.1.1	十六進制，如 2001:0db8::1
地址數量	約 43 億個	2^128，幾乎無限
報文結構	復雜，支持分片等	簡化，無中間分片，效率更高
NAT 支持	支持，常用于節省地址	不再需要 NAT，端到端通信
安全性	無內建安全，需借助IPSec	內建支持 IPSec 安全機制

七、IP 與其他協議的關系

IP 協議本身不提供可靠性，它通過與其他協議配合完成通信：

層級	協議	作用
傳輸層	TCP、UDP	提供端到端通信（可靠或快速）
網絡層	IP（本層）	實現網絡間通信與尋址
鏈路層	Ethernet、Wi-Fi 等	實現局域網中的物理傳輸
輔助協議	ICMP、ARP、DHCP	支持控制、地址解析、配置等

八、典型應用

• IP 是 Web、FTP、SSH、郵件等所有互聯網服務的基礎；
• 所有設備（服務器、路由器、PC、手機）都必須擁有 IP 地址；
• IP 協議配合路由器和子網規劃，實現全球互聯網互通。