在网络层中有两个较为重要的协议：IP协议和ICMP协议，其中IP协议是TCP/IP协议族的核心，也是构成互联网的基础，IP位于TCP/IP的网络层，对上可载送传输层各种协议的信息，（TCP、UDP），对下可将IP信息包放到链路层，通过以太网等技术传送。
在了解IP协议前要先了解IP地址： IP地址（Internet Protocol Address），他是IP协议提供的一种统一的地址格式，IP地址为互联网上的每一个网络和每台主机分配到一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。由于在单局域网网段中计算机之间可使用网络访问层所提供的MAC地址进行通信，但在路由式网络中，由于MAC地址不能跨路由接口运行，因此MAC地址传输变得非常麻烦，为了统一的数据传输，则与要引进逻辑化、层次化的寻址方式对网络组织，也就是IP地址。在linux下可用
ifconfig命令查询自己网卡的IP地址。
IP协议
IP地址的格式和分类
每个IP地址包括两个标识码（ID），网络ID和主机ID。网络ID用于辨识主机所在的网络，网络ID的位数直接决定了可分配网络数量；主机ID用于辨识网络中的主机，主机ID的位数决定了网络中最大的主机数量。
为了满足实际不同需求，网络需要使用一种方法判断IP地址中那一部分是网络ID，哪部分是主机ID。IP地址为32位，被分为4个8位段，将IP地址分为三类：
- A类：前8位表示网络ID，后24位表示主机ID，该类地址主要是政府机关单位使用；
- B类：前16位表示网络ID，后16位表示主机ID；该类地址主要给中等规模企业使用；
- C类：前24位表示网络ID，后8位表示主机ID，该地址主要分配给所需的人使用。
此外还包含下两类隐藏地址，D类和E类：
- D类：不分网络ID和主机ID；该地址用于多播；
- E类：不分网络ID和主机ID；该类地址用于实验。
为了更好地区分地址的类型，将每类地址的开头部分设置为固定类型： 如下图所示：
每类地址的区别如下：
- A类：网络 ID 的第一位以 0 开始的地址，其地址范围为：0.0.0.0～127.255.255.255；
- B类：网络 ID 的第一位以 10 开始的地址，其地址范围为： 128.0.0.0～191.255.255.255；
- C类：网络ID的第一位以 110 开始的地址，其地址范围为： 192.0.0.0～223.255.255.255；
- D类：地址以 1110 开始的地址，其地址范围为：224.0.0.0～239.255.255.255；
- E类：地址以 11110 开始的地址，其地址范围为240.0.0.0～255.255.255.254。
数据在网络中进行传输通过识别IP地址中的网络ID，将数据发送到正确的网络中，然后再根据主机ID将数据发送到目标主机上。为了满足实际需求，需要进行子网划分，将网络划分为更小的网络，即将IP地址的主机ID部分划分为子网ID和主机ID，其中子网ID用来寻找网络的子网，主机ID用来寻找子网中的主机。这需要借助子网掩码，起作用就是指明地址中多少位用于子网 ID，保留多少位用于实际的主机 ID。
IP数据报格式
在TCP/IP协议中使用IP协议传输数据的包被称为 IP 数据包，每个数据包都包含 IP 协议规定的内容，其被称为 IP 数据报文（IP Datagram）或者 IP 数据报。IP数据报文由首部（报头）和数据两部分组成，首部前一部分为固定长度，共20个字节，每个数据报必有的，在首部的固定部分后是一些可选字段其长度为可变的。IP数据报头字段如下图所示：
IP报头最小长度为20字节，上图中的每个字段含义如下：
- 版本（version）：占4位，表示IP协议的版本，通信双方使用IP协议版本必须一致，例如版本号为4就是IPV4；
- 首部长度（网际报头长度IHL）：占4位，可表示的最大十进制为15，其中的十进制中1bit标识数代表了首部为4个字节长，所以1111可对应60字节长，普通的IP首部长为20个字节长，所以这个标识符值为5即可，60为最大字节长，数据部分永远在4字节的整数倍开始，这样实现IP协议较方便，若不为4的整数倍则要用最后的填充字段填充。
- 区分服务（tos）：也被称为服务类型占8位，用来获取更好的服务，只有在使用区分服务时，这个字段才起作用；
- 总长度（totlen)：首部和数据之和，单位为字节，总长度字段为16位，因此数据报最大长度为2^16-1=65535字节；
- 标识（identification）：用来标识数据报，占16位，IP协议在存储器中维持一个计数器，每产生一个数据报则计数器加一，并将此值赋值给标识字段，当数据包长度超过网络的最大传输单元MTU时而必须分片时，这个标识字段的值将会被复制到所有数据报的标识字段中，具有相同标识字段的值的分片报文就会被重组成原来的数据报；
- 标志（flag）：占3位，第一位未使用其值为0，第二位称为DF（不分片）表示是否允许分片，取值为0时，表示允许分片，取值为1时表示不允许分片，第三位称为MF（更多分片）表示是否还有分片正在传输，设置为0时表示没有更多分片需要发送，或数据报没有分片。
- 片移量（offsetfrag）：占13位，当报文被分片后该字段标记该分片在原报文的相对位置，片移量以8个字节位偏移单位，所以除了最后一个分片，其他分片的片移量都为8字节的整数倍；
- 生存时间（TTL）：表示数据包在网络中的寿命，占8位，该字段由发出数据报的源主机设置，其目的是防止无法交付的数据报资源在网络中传输，从而消耗网络资源；路由器在转发数据报前先把TTL值减1，若TTL值减少到0，则丢弃这个数据报不再转发，因此，TTL 指明数据报在网络中最多可经过多少个路由器，求最大值位255，若其初值为1，则表示该数据报只能在本局域网传送；
- 协议：表示该数据报文携带数据所使用的协议类型，占8位，该字段方便目的主机IP层知道按照什么协议来处理数据部分，例如TCP 的协议号为 6，UDP 的协议号为 17，ICMP 的协议号为 1；
- 首部检验和（checksum）：用于校验数据报的首部，占16位，数据报没经过一个路由器，首部字段可能会发生变化（TTL），所哟一需要重新校验，数据部分不会发生变化，因此不需校验；
- 源地址：表示数据报的源IP地址，占32位；
- 目的地址：表示数据报的目的IP地址，占32位，该字段用于校验发送是否正确；
- 可选字段：该字段用于一些可选的报头设置，主要用于测试、调试和安全的目的，这些选项包括严格源路由（数据报必须经过指定路由），网际时间戳（经过每个路由器的时间记录）和安全限制；
- 填充：由于可选字段中的长度不是固定的，使用若干0填充该字段，可保证整个报头长度为32整数倍；
- 数据部分：传输层数据，如保存TCP、UDP\ICMP或IGMP数据，数据部分长度不固定。
IP分片
在链路层中的总结中我们了解了一个以太帧最大为1518个字节（其中头部的信息有14个字节，尾部校验和占了4个字节，MTU最大限制为1500个字节），但在实际的生活中，一个IP数据包可能大于这个限制：当路由器收到一个数据包时检查目的地址，确定出接口使用，检查该数据包是否超过了接口的MTU限制，若比MTU大且数据报头的不分段（DF）位被设为0，则路由器会对其进行分片，在IP数据报中有三个字段与数据报分片与重组有很大的关系：标识符、标志和片移量。
例：由一组数据报总长为4820字节，首部20字节，数据4800字节，某一网络的MTU被设置为1420字节，则如何对其分片，如下图所示：
例子来源：IP数据报的分片与重组
分片通常发生在路由器上，上面说到过分片的偏移量是以8的倍数表示的八位组，因此数据报片大小必须为8的倍数，而且IP协议不会明确规定封装到物理帧的数据报应该为多大，源站可选择合适大小分片和重组将自动进行。
避免IP分片
由于IP层没有超时重传，因此如果IP层对一个数据包分片后，刚好有一片丢失了，只能依赖传输层的协议进行重传（所有片），若要提高数据传输成功的效率，我们要避免IP分片。
对于UDP包我们需要在应用层中限制每个包的大小，一般不超过1472个字节（MTU通常1500字节，UDP首部8字节，IP首部20字节）；
对于TCP包则不用应用层去限制，因为TCP是可靠的建立链接的协议，在三路握手的过程中，双方会互相告知MSS（Maximum Segment Size，最大报文段长度），其值一般为MTU - TCP首部20字节 - IP首部20字节，每次的数据不会超过MSS，因此也不会超过MTU从而避免了分片。
IP选路
首先要介绍的是什么是IP的选路：IP选路即IP寻路，就是根据路由表中的记录，来决定当前数据报是否直接交付（目的地址属于当前局域网）还是发往下一跳路由。通常搜索匹配路由表的步骤如下：
- 搜索匹配的主机地址；
- 搜索匹配的网络地址；
- 搜索默认表项，通常为0.0.0.0；
IP层进行的选路实际上是一种选路机制，它搜索路由表并决定向那个网络接口发送分组，而不是像选路策略是一组决定将路由放入路由表的规则。
我们可通过netstat -rn命令来查看本设备的路由表，其中-r为列出路由表选项，-n为以数字格式打印出IP地址选项：
-
Destination：目标网络地址；
-
Gateway：网关地址，要去目标网络，需要先走这条路；
-
Flags：此条路由记录的标志，可以设置的标志大致有：
1、U Up，该路由可以被使用；
2、G Gateway（重要），该路由是到一个网关（路由器），如果没有设置该标志，说明该条路由不是一个网关，是一条直接路由，Gateway列给出的是外出接口的IP地址，它的作用用来区分间接路由和直接路由，区别在于：发往直接路由的分组不但具有指明目的端的IP地址，还具有其链路层地址，发往间接路由时，IP地址指明的是最终目的地，但链路层地址指明的是网关（下一个路由器）；
3、H Host（重要），该路由是到一个主机，即Destination列给出的是一个完整的主机地址，如果没有设置该标志，说明该路由是到一个网络，而Destination列出的是一个网络地址：一个网络号，或者网络号与子网号的组合；
4、D Dynamically，该路由是由ICMP重定向报文创建的；
5、M Modified，该路由已被重定向报文修改；
参考：《TCP／IP详解 卷1:协议》
ICMP协议
ICMP（Internet Control Message Protocol)即控制报文协议，他也是TCP/IP协议族的一个字协议，ICMP协议用于在IP主机和路由器间传递控制信息，描述网络是否通畅、主机是否可到达路由器是否可用等网络状态。
数据包在发送到目标主机的过程中，通常会经过一或多个路由器，而数据包在传输过程中可能会遇到一些问题使不能到达目的主机，为了了解数据包在传输过程中遇到了那个为问题需要用ICMP协议跟踪，然后将信息反馈给源主机。
ICMP报文结构
ICMP报文一般为8个字节，包括类型、代码、校验和和扩展内容字段，如下图所示：
类型表示ICMP的消息类型，代码表示对类型的进一步说明，校验和表示对整个报文的报文信息校验。常见的类型和代码组合含义如下：
| 类型 | 代码 | 含义 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 回显应答（ping 应答） |
| 3 | 0 | 网络不可达 |
| 3 | 1 | 主机不可达 |
| 3 | 2 | 协议不可达 |
| 3 | 3 | 端口不可达 |
| 3 | 4 | 需要分片但设置不分片位 |
| 3 | 5 | 源站选路失败 |
| 3 | 6 | 目的网络未知 |
| 3 | 7 | 目的主机未知 |
| 3 | 9 | 目的网络被禁止 |
| 3 | 10 | 目的主机被禁止 |
| 3 | 11 | 由于服务类型 TOS，网络不可达 |
| 3 | 12 | 由于服务类型 TOS，主机不可达 |
| 3 | 13 | 由于过滤，通信被禁止 |
| 3 | 14 | 主机越权 |
| 3 | 15 | 优先中止失效 |
| 4 | 0 | 源端被关闭 |
| 5 | 0 | 对网络重定向 |
| 5 | 1 | 对主机重定向 |
| 5 | 2 | 对服务类型和网络重定向 |
| 5 | 3 | 对服务类型和主机重定向 |
| 8 | 0 | 回显请求（ping 请求） |
| 9 | 0 | 路由器通告 |
| 10 | 0 | 路由器请求 |
| 11 | 0 | 传输期间生存时间为 0 |
| 11 | 1 | 在数据报组装期间生存时间为 0 |
| 12 | 0 | 坏的 IP 首部 |
| 12 | 1 | 缺少必须选项 |
| 13 | 0 | 时间戳请求 |
| 14 | 0 | 时间戳应答 |
| 17 | 0 | 地址掩码请求 |
| 18 | 0 | 地址掩码应答 |
ICMP类型报文总的来说分为两类：
-
查询报文：
(1)类型值为0或8时，表示回送(Echo)请求或应答
(2)类型值为13或14时：表示时间戳(Timestamp)请求或应答 -
差错报告报文：
(1)类型值为3时：表示终点不可达
(2)类型值为4时：表示源点抑制
(3)类型值为5时：表示改变路由(Redirect）
(4)类型值为11时：表示超时
(5)类型值为12时：表示参数问题