一、認識IP協議
1、什麼是IP協議
IP協議（Internet Protocol，網際協議），IP協議作爲整個TCP/IP中至關重要的協議，主要負責將數據包發送給終端目標計算機。因此，IP協議可以讓世界上任何兩臺計算機之間進行通信。
IP協議是TCP/IP協議族的動力，它爲上層協議提供無狀態、無連接、不可靠的服務。
- 無狀態：IP通信協議的雙方不會同步傳輸數據的狀態信息，每個IP數據報之間都是相互獨立的，沒有上下文關係
- 無連接：IP通信協議雙方都不會長久的維持對方的任何信息，每次發送數據都必須表明對方的IP地址
- 不可靠：IP通信協議並不能保證IP數據準確的發送到接收端，需要藉助TCP等協議完成可靠傳輸
2、IP地址
IP地址（IPv4）由32位的正整數來表示，TCP/IP通信要求將這樣的IP地址分配給每一個參與通信的主機。IP地址在計算機內部以二進制方法被處理。但是在實際生活中，人們並不適用用二進制數字，所以使用點分十進制來表示IP地址。
但是IPv4的地址畢竟是有限的，最多可以分配大約43億臺計算機（並且實際連接是肯定達不到43億的），肯定是不夠用的，所以誕生出了新的IPv6。
3、網絡標識和主機標識
IP地址是由“網絡標識”和“主機標識”兩部分組成的。網絡標識必須保證相互連接的每個段的地址不相重複。而相同段內連接的主機必須由相同的網絡地址。IP地址的“主機標識”則不允許在同一個網段內重複出現。所以這樣就可以通過設計網絡地址和主機地址，在相互連接的整個網絡中保證每臺主機的IP地址不會重複出現。
4、網段的劃分
1、早期的IP地址分爲五個級別：A類、B類、C類、D類、E類。
它根據IP地址中的第1位到第4位的比特列對其網絡標識和主機標識進行區分。
- A類：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
- B類：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
- C類：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
- D類：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
- E類：240.0.0.0 ~ 247.255.255.255
2、現在的劃分方案爲 —— CIDR：（子網掩碼 netmask）
通過 子網掩碼 識別碼將子網網絡地址細分出比 A類 、B類、C類 更小的粒度網絡。這種方式實際上就是將原來的 A類 、B類 、C類等分類中的主機地址部分作爲子網地址，可以將原網絡分爲多個物理網絡的一種機制。
子網掩碼如果用二進制表示的話，也是一個32爲的數字，它對應IP地址網絡標識部分的位全部爲 “1”，對應IP地址的主機標識部分則全部用 “0”。
例：有一個網絡IP192.168.122.132，netmask 255.255.255.0，將這個網絡平均劃分成四個子網，請問每個子網的IP地址範圍及子網掩碼。
通過IP地址和子網掩碼得到原網絡的主機號個數（netmask 取反）：256
通過IP地址和子網掩碼得到原網絡號（IP地址 與 netmask 相與）：192.168.122.0
平均劃分四個子網，則每個子網主機號個數（256/4）64個 0~63個
子網掩碼：~63（255.255.255.192）
RFC1918規定，能夠用於組建私網的網段只有：10.~.~.~ 、172.16.~.~ - 172.31.~.~ 、 192.168.~.~
3、特殊的IP地址： 192.168.122.132 255.255.255.0
主機號全爲1的IP地址 局域網的UDP廣播地址 192.168.122.255
主機號全爲0的IP地址 網絡號-識別一個網絡 192.168.122.0
每一個局域網中，這兩個主機號是不能分配給主機的意味着主機號雖然有256，但是能夠分配給主機的只有254個
127.0.0.1 本地迴環網卡地址 - 虛擬網卡地址 - 用於本機內的網絡迴環測試
二、IPv4
1、IPv4首部格式
- 4位版本號：指定IP協議的版本，對於IPv4來說，這個值爲4；
- 4爲頭部長度（IHL）：標識該IP頭部有多少個32bit字（4個字節），最長爲60個字節；
- 8爲服務類型（TOS）：包括一個3爲的優先權字段，4個字節的TOS字段和1位保留字段（必須置0），其中四位TOS分別表示：最小延時、最大吞吐量、最高可靠性、最小費用，其中最多隻有一個可以被置爲1；
- 16位總長度：是指整個IP數據報的長度，以字節單位，最大值爲65536字節，但是由於MTU（最大傳輸單元）的限制，實際傳輸過程中長度遠遠沒有達到最大值，超過MTU的數據報將會被分片傳輸；
- 16位標識：唯一的標識主機發送的每一個數據報，初始值由系統隨機分配，每發送一個數據報，其值就加1；
- 3位標誌字段：第一位保留，第二位（DF）表示“禁止分片”，第三位（MF）表示“更多分片”；
- 13位片偏移：是分片先對原始IP數據報開始出的偏移；
- 8位生存時間（TTL）：是數據報達到目的地之前允許經過的路由器跳數，數據報沒經過一個路由，該值就會被路由器減1，當爲0時，該數據報就會被丟棄，並向源端發送ICMP差錯報文，可以防止數據進入路由循環；
- 8位協議：是用來區分上層協議，比如ICMP是1、TCP是6、UDP是17；
- 16位頭部校驗和：由發送端填充，接收端對其使用CRC校驗，判斷IP數據報頭部是否在傳輸過程中損壞；
- 32位源端IP地址
- 32位目的段IP地址
- 選項字段（最多40個字節，因爲IP地址頭部最長是60字節），可用的選項爲：
- 記錄路由：告訴數據報途徑的所有路由器都將自己的IP地址填入IP頭部的選項部分；
- 時間戳：告訴每個路由器都將數據報被轉發的時間（或時間與IP地址對）填入IP頭部選項部分；
- 鬆散路由選擇：指定一個路由器IP地址列表，數據報發送過程都必須經過其中所有的路由器；
- 嚴格源路由選擇：和鬆散路由選擇類似，但是數據報只能經過被指定的路由器；
2、IP模塊的工作流程
通過這張圖片，我們可以很清晰的瞭解整個IP地址的工作流程。
首先當數據報進入 IP出入隊列後，會對頭部進行CRC校驗，確認無誤後就會對頭部信息進行分析和判斷。值得指出的一點是，在數據轉發的過程中，如果IP數據報不允許被轉發，則會丟棄該數據報。
【注】：文中圖片均剪切自《圖解TCP/IP(第五版)》、《Linux高性能服務器編程》
