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IP协议

IP(Internet Protocol)协议 英文名直译就是：因特网协议，简称为“网协”，也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。它规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则，任何厂家生产的计算机系统，只要遵守 IP协议就可以与因特网互连互通。

IP 协议作为通信子网的最高层，提供无状态、无连接、不可靠、尽最大努力交付的数据报传输机制。IP协议是点到点的，核心问题是寻径。它向上层提供统一的IP数据报，使得各种物理帧的差异性对上层协议不复存在。

无状态 是指IP通信双方不同步传输数据的状态信息，因此所有IP数据报的发送、传输和接收都是相互独立、没有上下文关系的。这种服务最大的缺点就是无法处理乱序和重复的IP数据报。
无连接 是指IP通信双方都不长久地维持对方的任何信息。这样上层协议每次发送数据的时候，都必须明确指定对方的IP地址
不可靠 是指IP协议不能保证IP数据报准确地到达接收端，它只是承诺尽最大努力。很多情况都可以导致IP数据报发送失败。

IP地址

Internet的网络地址 是指连入Internet网络的计算机的地址编号。所以，在Internet网络中，网络地址唯一地标识一台计算机。而我们要确认网络上的每一台计算机，靠的就是能唯一标识该计算机的网络地址，这个地址就叫做IP地址，即用Internet协议语言表示的地址

IPv4 和 IPv6

IPv4中规定IP地址长度为32， IPv6是下一版本的互联网协议。

目前的全球因特网所采用的协议族是TCP/IP协议族，IP是TCP/IP协议族中网络层的协议，是TCP/IP协议族的核心协议。目前IP协议的版本号是4，简称为IPv4。
发展至今已经使用了30多年， IPv4的地址位数为32位，也就是最多有2的32次方的电脑可以联到Internet上。
近十年来由于互联网的蓬勃发展，IP位址的需求量愈来愈大，使得IP位址的发放愈趋严格，全球IPv4位址已经耗尽。
IPv6是下一版本的互联网协议，是下一代互联网的协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。
为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间，IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址，按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。

IP协议的主要功能

在相互连接的网络之间传递IP数据报。其中包括两个部分：

寻址与路由：首先要用IP地址来标识Internet的主机：在每个IP数据报中，都会携带源IP地址和目标IP地址来标识该IP数据报的源和目的主机。IP协议可以根据路由选择协议提供的路由信息对IP数据报进行转发，直至抵达目的主机。然后IP地址和MAC地址的匹配，ARP协议。数据链路层使用MAC地址来发送数据帧，因此在实际发送IP报文时，还需要进行IP地址和MAC地址的匹配，由TCP/IP协议簇中的ARP完成。
分段与重组：IP数据报通过不同类型的通信网络发送，IP数据报的大小会受到这些网络所规定的最大传输单元(MTU)的限制。再将IP数据报拆分成一个个能够适合下层技术传输的小数据报，被分段后的IP数据报可以独立地在网络中进行转发，在到达目的主机后被重组，恢复成原来的IP数据报。

IPv4地址

IPv4地址由四段组成，每个字段是一个字节，8位，最大值是255，常采用点分十进制来表示，如0.0.0.0。
IPv4地址由两部分组成，即网络地址和主机地址。网络地址表示其属于互联网的哪一个网络，主机地址表示其属于该网络中的哪一台主机，二者是主从关系。
IPv4地址根据网络号和主机号来分，分为A、B、C三类及特殊地址D、E，D类是多播地址，E类是保留地址。全0和全1的都保留不用，如A类中的0.0.0.0和127.255.255.255都不使用。
- A类：0~127
- B类：128~191
- C类：192~223
- D类：224~239，组播地址
- E类：240~254，保留为研究测试使用
作为特殊用途的IP地址 |范围|描述| |:--|:--| 10.0.0.0/8
172.16.0.0/12
192.168.0.0/16|私网IPv4地址，可用于家庭、办公室和企业的内部局域网。设计私网IPv4地址的初衷是缓解IPv4地址耗尽问题。 169.254.0.0/16|Link-local，本地链路的地址，是在本地网络通讯的，路由器不会转发此类IP包；当DHCP服务器故障，或者DHCP超时，不致于设备没有IP而造成连接不上。 127.0.0.0/8|Loopback，回送测试loopback test所用 224.0.0.0/4|IP组播地址 240.0.0.0/4|保留为研究测试使用 255.255.255.255|广播地址
子网掩码是用来标识两个IP地址是否同属于一个子网。它也是一组32位长的二进制数值，其每一位上的数值代表不同含义：为“1”则代表该位是网络位；若为“0”则代表该位是主机位。和IP地址一样，人们同样使用（点式十进制）来表示子网掩码，如：255.255.255.0或192.168.1.2 /24（24表示32位子网掩码前24位都是1，所以是255.255.255.0）

IPv6地址

IPv6地址有128位，地址总数共计2的128次方，几乎可以为地球上每一粒沙子都配置上IPv6地址
IPv6的格式采用点分16进制的形式，分为8段，每段16位，一共128位，形如1002:003B:456C:678D:890E:0012:234F:56G7

IPv4报文

前同步码*	帧开始界定符*	源MAC地址	目的MAC地址	报文类型	IPv4报文内容	CRC
7字节	1字节	6字节	6字节	2字节(0x0800)	46~1500字节	4字节

|字段|长度|描述| |:--:||:--:|:--| 版本号|4bit|不同的IP协议版本使用不同的数据报格式，IPv4其值为4。首部长度|4bit|若IP数据报没有包含选项，则IP数据报首部长度为20字节，否则需要加上选项的长度服务类型|8bit|更好地服务不同类型IP数据报(如实时数据报IP电话应用、非实时通信流FTP)，Cisco将TOS前3位标识不同服务等级，即优先级。数据报长度|16bit|IP数据报文内容的长度，即IP首部+数据。分片：标识、标志、段位移|16bit/3bit/13bit|这3个字段跟IP分片有关。

当目的主机从同一个源收到一批数据报时，需要确定这些数据报是完整数据报还是分片后的数据报，数据报首部标识字段解决这个问题，检查数据报的标识号确定哪些数据报真正是同一个较大数据报的片；

如何判断最后一个分片已收到，数据报首部标志字段解决这个问题，将最后一片的标志为0，其他标记为1；

如何顺序重组这些片，这就需要记录每个片的在数据报有效净荷的偏移量，这也确定了片是否丢失。若丢失某些片，则丢弃这个不完整的数据报(不会交给传输层)。需要可靠传输怎么办呢，由传输层让源重传原始数据摄中的数据(如TCP)。寿命TTL|8bit|每次数据报经过一台路由器时，该字段的值减1，若TTL字段减为0，则丢弃该数据报，从而确保数据报不会永远在网络循环。上层协议|8bit|该字段用于指明IP数据报的数据部分应该交给哪个传输层协议(6为TCP、17为UDP)。首部检查和|16bit|只是对IP首部进行检验，对整个TCP/UDP报文段检验交由TCP/UDP完成。将首部中的每两个字节当作一个数，用反码运算对这些数求和，该和按1补码值存放在检查和字段。当路由器收到IP数据报时，计算其首部检查和，与该字段值比较，若出错则丢弃该数据报。

IPv6报文

IPv6首部固定40字节长度。 |字段|长度|描述| |:--:||:--:|:--| 版本号|4bit|不同的IP协议版本使用不同的数据报格式，IPv6值为6。通信量等级|8bit|使得源节点和路由器能够识别IPv6信息包的优先级。流标签|20bit|标记那些需要IPv6路由器特殊处理(如一种非默认服务质量或实时服务)的信息包顺序。有效负载长度|16bit|定长40字节数据报首部后面的字节数量，包括扩展报头和负载数据，即数据报长度-40。下一个首部|8bit|当IPv6没有扩展报头时，该字段的作用和IPv4的上层协议字段一样。当含有扩展报头时，该字段的值即为第一个扩展报头的类型。跳限制|8bit|转发数据报的每台路由器对该字段的值减1，若减为0则丢弃该数据报。源IP地址|128bit|- 目的IP地址|128bit|- 数据|可变长度|当数据报到达目的地时，该有效载荷就从IP数据报移出，并交给下一个首部字段中指定的协议。