IP协议
IP 协议作为通信子网的最高层，提供无连接的数据报传输机制。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。
IP协议的作用
- 寻址和路由
传递服务：提供不可靠，无连接的服务。
为什么说IP协议不可靠和、无连接
不可靠：是指不能保证IP数据报能成功到达目的地，是一种尽力而为的传输服务，路由器对IP报错误处理方式是丢包，并发送ICMP给源地址。
无连接：是指IP并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。数据分段和重组
IP是网络层上的主要协议，同时被TCP和UDP使用。TCP和UDP的每组数据都通过端系统和每个中间路由器中的IP层在互联网中进行传输。在TCP/IP协议族中，网络层IP提供的是一种不可靠的服务。也就是说，它只是尽可能快地把分组从源结点送到目的结点，但是并不提供任何可靠性保证。而另一方面，TCP在不可靠的IP层上提供了一个可靠的运输层。为了提供这种可靠的服务，TCP采用了超时重传、发送和接收端到端的确认分组等机制。由此可见，运输层和网络层分别负责不同的功能。(详见TCP UDP)
IP协议的工作原理
IP是TCP/IP协议族中最为核心的协议。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP 数据报格式传输。IP提供不可靠、无连接的数据报传送。
不可靠（unreliable）的意思是它不能保证IP 数据报能成功地到达目的地。IP 仅提供最好的传输服务。如果发生某种错误时，如某个路由器暂时用完了缓冲区，IP 有一个简单的错误处理算法：丢弃该数据报，然后发送ICMP 消息报给信源端。任何要求的可靠性必须由上层来提供（如TCP）。
无连接（connectionless）这个术语的意思是IP 并不维护任何关于后续数据报的状态信息。每个数据报的处理是相互独立的。这也说明，IP 数据报可以不按发送顺序接收。如果一信源向相同的信宿发送两个连续的数据报（先是A，然后是B），每个数据报都是独立地进行路由选择，可能选择不同的路线，因此B可能在A到达之前先到达。
当应用程序用TCP传送数据时，数据被送入协议栈中，然后逐个通过每一层直到被当作一串比特流送入网络。其中每一层对收到的数据都要增加一些首部信息（有时还要增加尾部信息），如图所示。TCP传给IP的数据单元称作TCP报文段或简称为TCP段（TCP segment）。IP传给网络接口层的数据单元称作IP数据报（IP datagram）。通过以太网传输的比特流称作帧（Frame）。
下图中帧头和帧尾下面所标注的数字是典型以太网帧首部的字节长度。以太网数据帧的物理特性是其长度必须在46～1500字节之间。由于现在几乎所有的计算机系统都采用8bit的字节，因此我们在本书中使用字节（byte）这个术语。
数据进入协议栈时的封装过程
UDP数据与TCP数据基本一致。唯一的不同是UDP传给IP的信息单元称作UDP数据报（UDP datagram），而且UDP的首部长为8字节。
由于TCP、UDP、ICMP和IGMP都要向IP传送数据，因此IP必须在生成的IP首部中加入某种标识，以表明数据属于哪一层。为此，IP在首部中存入一个长度为8bit的数值，称作协议域。1表示为ICMP协议，2表示为IGMP协议，6表示为TCP协议，17表示为UDP协议。
类似地，许多应用程序都可以使用TCP或UDP来传送数据。运输层协议在生成报文首部时要存入一个应用程序的标识符。TCP和UDP都用一个16bit的端口号来表示不同的应用程序。TCP和UDP把源端口号和目的端口号分别存入报文首部中。
（网络接口分别要发送和接收IP、ARP和RARP数据，因此也必须在以太网的帧首部中加入应用程序某种形式的标识，以指明生成数据的网络层协议。为此，以太网的帧首部也有一个16 bit的帧类型域。）
IP协议数据报文格式
一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分长度是固定的20个字节，后面部分的长度则是可变长度。下面介绍首部各字段的意义。
一个IP数据报由首部和数据两部分组成。首部的前一部分长度是固定的20个字节，
后面部分的长度则是可变长度。下面介绍首部各字段的意义。
IP数据报首部的固定部分
1. 版本
版本字段占4bit,指IP协议的版本。通信双方使用的IP协议的版本必须一致。版本有IPV4 和IPV6
2. 首部长度
首部长度字段占4bit，可表示的最大数值是15个单位（一个单位为4字节），因此IP的首部长度的最大值是60字节。当IP分组的首部长度不是4字节的整数倍时，必须利用最后一个填充字段加以填充。这样，数据部分永远在4字节的整数倍时开始，这样在实现起来会比较方便。首部长度限制为60字节的缺点是有时（如采用源站选路时）不够用。但这样做的用意是要用户尽量减少额外的开销。
3. 服务类型
服务类型字段共8bit长，用来获得更好的服务，其意义见图6的上面部分所示。
服务类型字段的前三个比特表示优先级，它可使数据报具有8个优先级中的一个。
第4个比特是D比特，表示要求有更低的时延。第5个比特是T比特，表示要求有更高的吞吐量。第6个比特是R比特，表示要求有更高的可靠性，即在数据报传的过程中，被结点交换机丢弃的概率要更小些。第7个比特是C比特，是新增加的，表示要求选择价格更低廉的路由。最后一个比特目前尚未使用。
4. 总长度
总长度指首部和数据之和的长度，单位为字节。总长度字段为16bit，因此数据报的最大长度为65535字节。这在当前是够用的。
当很长的数据报要分段进行传送时，“总长度”不是指未分段前的数据报长度，而是指分段后每个段的首部长度与数据长度的总和。
5. 标识
标识字段的意义和OSI的IPDU中的数据单元标识符的意义一样，是为了使分段后的各数据报段最后能准确地重装成为原来的数据报。请注意：这里的“标识”并没有顺序号的意思，因为IP是无连接服务，数据报不存在按序接收的问题。
6. 标志
标志字段占3bit。目前只有前两个比特有意义。
标志字段中的最低位记为MF（More Fragment）。MF=1即表示后面还有分段的数据报。MF=0表示这已是若干数据报段中的最后一个。
标志字段中间的一位记为DF（Don’t Fragment）。只有当DF=0时才允许分段。
7. 段偏移
段偏移字段的意义和OSI的IPDU中规定的相似，只是表示的单位不同。这里是以8个字节为偏移单位。可见IP数据报的段偏移字段（13bit长）和OSI的IPDU的段偏移字段（16bit长）是相当的。
8. 寿命
寿命字段记为TTL（Time To Live）,其单位为秒。寿命的建议值是32秒。但也可设定为3-4秒，或甚至255秒。
9. 协议
协议字段占8bit，它指出此数据携带的运输层数据是使用何种协议，以便目的主机的IP层知道应将此数据报上交给哪个进程。常用的一些协议和响应的协议字段值（写在协议后面的括弧中）是：UDP（17），TCP（6），ICMP（1），GGP（3），EGP（8），IGP（9），OSPF（89），以及ISO的TP4（29）。
10. 首部检验和
此字段只检验数据报的首部，不包括数据部分。不见眼数据部分是因为数据报每经过一个结点，结点处理机就要重新计算一下首部检验和（一些字段，如寿命、标志、段偏移等都可能发生变化）。如将数据部分一起检验，计算的工作量就太大了。
首部校验和（16bit）字段只校验数据报的首部，不包括数据部分。这里不采用CRC检验码而采用简单的计算方法
实现对IP分组首部的差错检测
计算校验和时，该字段置全0
采用反码算数运算求和，和的反码作为首部校验和字段
逐跳计算、逐跳校验
11. 地址
源站IP地址字段和目的站IP地址字段都各占4字节。
IP分片
最大传输单元(MTU)
网络链路存在MTU (最大传输单元)—链路层数据帧可封装数据的上限
不同链路的MTU不同
IP分片与重组
大IP分组向较小MTU链路转发时， 可以被“分片” (fragmented)
1个IP分组分为多片IP分组
IP分片到达目的主机后进行“重组”(reassembled)
IP首部的相关字段用于标识分片以及确定分片的相对顺序
总长度、标识、标志位和片偏移
分片相关的字段
标识字段占16位：标识一个IP分组
IP协议利用一个计数器，每产生IP分组计数器加1，作为该IP分组的标识
标志位字段占3位：DF (Don’t Fragment)
DF =1：禁止分片
DF =0：允许分片MF (More Fragment)
MF =1：非最后一片
MF =0：最后一片(或未分片)
这里写图片描述
片偏移字段占13位：一个IP分组分片封装原IP分组数据的相对偏移量
片偏移字段以8字节为单位