IP协议位于OSI参考模型的第三层-网络层，网络层的作用是实现终端节点间的通信。IP协议是网络层的一个重要协议，网络层中还有ARP（获取MAC地址）和ICMP协议（数据发送异常通知）。

数据链路层的作用在于实现同一种数据链路下的包传递，而网络层可以实现跨越不同数据链路的包传递。比如主机A通过WiFi连接到路由器B，路由器B通过以太网连接到路由器C，而路由器C又通过WiFi与主机D连接，这时主机A向D发送的数据包就依赖于网络层进行传输。

这篇我们主要介绍IP协议的基本知识和IP首部，IP协议可以分为三大作用模块：IP寻址、路由和IP分包。

1. IP地址

IP地址是在网络层用于识别通信两端的地址。它有别于数据链路层中的MAC地址，MAC地址用于标识同一数据链路下的不同计算机。
举个例子，我要从北京去西塘古镇玩，但是没有直达的交通工具，我会先从北京坐高铁到苏州，再从苏州坐大巴到西塘。其中北京和西塘相当于通信两端的IP地址，北京和苏州，它们相当于MAC地址，它们处于相同链路中，当然苏州和西塘也相当于是MAC地址，每次中转可以称为一跳（Hop）。

1. IP地址由32位正整数表示，为了更直观，我们把它分为了4部分，每部分由8位二进制数组成，每部分对应十进制的范围就是0~255。比如172.20.1.1可表示为：10101100 00010100 00000001 00000001,转换规则很简单，就是分别把4个部分的十进制数与8位二进制数进行转换。
2. 从功能上看，IP地址由两部分组成：网络标识和主机标识。

• 网络标识，网络标识用于区分不同的网段，相同网段内的主机必须拥有相同的网络标识。
• 主机标识，用于区分同一网段下的不同主机，它不能在同一网段内重复出现。

3. 那么32位的IP地址，哪几位表示网络标识呢？有两种表示方法：IP分类和子网掩码。
   IP地址根据前4位，被分为了四类：

• A类，A类IP地址是第一位为“0”的地址。用十进制标识的话为：0.0.0.0~127.0.0.0。A类IP地址的网络标识为前8位。另外，A类IP地址最多128个（实际只有126个）。
• B类，B类IP地址是前两位为“10”的地址。用十进制表示的话为：128.0.0.0~191.255.0.0。前16位为网络标识。
• C类，C类IP地址是前三位为”110“的地址。192.0.0.0~223.255.255.0。前24位为网络标识。
• D类，D类IP地址是前四位为”1110“的地址。32位都为网络标识，没有主机标识。
  子网掩码：
  IP地址总长度32位，能够表示的主机数量有限。
  IP地址分类的本质就是为了区分网络标识和主机标识，另一个更加灵活、细粒度的区分方法是使用子网掩码。
  子网掩码的长度也是32位，由一段连续的1和一段连续的0组成，1的长度就表示网络标识的长度。

2. 路由控制

路由控制（Routing）是指将分组数据发送到目标地址的功能。这个功能一般由路由器完成（不要与家里的小路由器混为一谈）。
路由器中保存着路由控制表（路由控制表中保存的是各种IP地址所对应的路由器地址），路由器在路由控制表中查找目标IP地址对应的下一个路由器的地址。下图描述了这一过程：

主机A向主机B发送数据

路由器1继续在它自己的路由控制表中查找目标地址10.1.2.10，它发现目标地址属于10.1.2.0/24这一段，因此将数据转发至下一个路由器10.1.0.2，也就是路由器2的左侧网卡的地址。

路由器2在自己的路由控制表中查找目标地址10.1.2.10，根据表中记录将数据发往10.1.2.1接口，也就是自己的右侧网卡的IP地址。主机B检查目标IP地址和自己相同，于是接收数据。

路由控制的关键在于路由控制表，路由控制表可以手动设置，称为静态路由控制，但是大多数时候都不这么干，因为路由器可以和其他路由器互换路由表即自动更新路由表，这个信息交换的协议并没有在IP协议中定义，而是一个“路由协议”。

3. 环路

上图中，假如主机A向一个不存在的IP地址发送数据，并且假如路由1、2、3设置的默认路由形成了一个循环，那么数据将在网络中不断转发最终导致网络拥堵。这个问题将在下文分析IP首部的时候得到解决。

4. IP报文分割重组

在数据链路层，我们已经知道数据链路层有最大传输单元（MTU），因此IP协议的一个任务是对数据进行分片和重组，分片由发送端主机和路由器负责，重组由接收端主机负责。

5. 路径MTU发现

分片会加重路由器的负担，因此只要条件允许，我们都不希望路由器对IP数据包进行分片。另外一个分片丢失，整个IP数据包都会作废。
解决方案：
解决以上问题的技术是“路径MTU发现”。思路：主机会首先获取整个路径上的所有数据链路中的最小的MTU，并按照这个MTU对整个数据进行分片，因此传输过程中任何一个路由器都不用再对数据包进行分片工作。
那么怎么获取这个MTU呢？
主机首先发送整个数据包，并将IP首部的禁止分片标志置为1，这样路由器在遇到需要分片才能处理的IP数据包时，不会处理，而是直接丢弃，并通过ICMP协议将不可达的消息发回给主机，主机将ICMP通知中的MTU设为当前MTU，对当前数据进行分片，再发送，如此反复下去，直到不再收到ICMP通知为止，此时的MTU就是路径MTU。

6. 重组

接收端根据IP首部中的标志（Flag）和片偏移（Fragment Offset）进行数据重组，具体将在下边IP首部中解释。

7. IP首部(IPv4)

IP首部是个有些复杂的结构，我们不必记忆它的结构，只需了解每个部分的作用，加深对IP协议的理解。

• 总长度（Total length）：表示IP首部与数据部分的总的字节数。该段长16比特，所以IP包的最大长度为2^{16字节。虽然不同的数据链路的MTU不同，但是IP协议通过自己的分片功能，屏蔽了这些区别，从上层的角度来看，IP协议总是能够以2}16最大包长度进行传输。
• 标识（ID），用于分片重组，属于同一个分片的帧的ID相同。但是，即使是ID相同，如果目标地址、源地址、上层协议中有任何一个不相同，都被认为不属于同一个分片。
• 标示（Flags），用于分片重组，由三个比特构成。
  第一个比特未使用，目前必须是0。
  第二个比特标示是否禁止进行分片，1表示不能分片，0表示可以分片。在路径MTU发现技术中就用到了这个位。
  第三个比特表示在分片时，是否后边还有包，1表示后边还有包，0表示是最后一个包。
• 片偏移（FO：Fragment Offset），表示被分片的段相对于原始数据的位置。由13个比特构成，它可以表示2^{13个位置，单位为8字节，所以最大可以表示8*2}13个字节的偏移量。
• 生存时间（TTL：Time To Live），表示包可以经过多少个路由器的中转，每经过一个路由器TTL减1，这样可以避免前边提到的无限传递包的问题（环路）。
• 协议，表示IP首部的下一个首部属于哪个协议，比如TCP协议的编号为6，UDP协议的编号为17。
• 首部校验和，用于检查IP首部是否损坏。
• 可选项，仅在实验或诊断时用，可以没有。如果有，需要配合填充占满32个比特。

参考：
TCP/IP（二）：IP协议