一、认识IP协议
1、什么是IP协议
IP协议（Internet Protocol，网际协议），IP协议作为整个TCP/IP中至关重要的协议，主要负责将数据包发送给终端目标计算机。因此，IP协议可以让世界上任何两台计算机之间进行通信。
IP协议是TCP/IP协议族的动力，它为上层协议提供无状态、无连接、不可靠的服务。
- 无状态：IP通信协议的双方不会同步传输数据的状态信息，每个IP数据报之间都是相互独立的，没有上下文关系
- 无连接：IP通信协议双方都不会长久的维持对方的任何信息，每次发送数据都必须表明对方的IP地址
- 不可靠：IP通信协议并不能保证IP数据准确的发送到接收端，需要借助TCP等协议完成可靠传输
2、IP地址
IP地址（IPv4）由32位的正整数来表示，TCP/IP通信要求将这样的IP地址分配给每一个参与通信的主机。IP地址在计算机内部以二进制方法被处理。但是在实际生活中，人们并不适用用二进制数字，所以使用点分十进制来表示IP地址。
但是IPv4的地址毕竟是有限的，最多可以分配大约43亿台计算机（并且实际连接是肯定达不到43亿的），肯定是不够用的，所以诞生出了新的IPv6。
3、网络标识和主机标识
IP地址是由“网络标识”和“主机标识”两部分组成的。网络标识必须保证相互连接的每个段的地址不相重复。而相同段内连接的主机必须由相同的网络地址。IP地址的“主机标识”则不允许在同一个网段内重复出现。所以这样就可以通过设计网络地址和主机地址，在相互连接的整个网络中保证每台主机的IP地址不会重复出现。
4、网段的划分
1、早期的IP地址分为五个级别：A类、B类、C类、D类、E类。
它根据IP地址中的第1位到第4位的比特列对其网络标识和主机标识进行区分。
- A类：0.0.0.0 ~ 127.255.255.255
- B类：128.0.0.0 ~ 191.255.255.255
- C类：192.0.0.0 ~ 223.255.255.255
- D类：224.0.0.0 ~ 239.255.255.255
- E类：240.0.0.0 ~ 247.255.255.255
2、现在的划分方案为 —— CIDR：（子网掩码 netmask）
通过 子网掩码 识别码将子网网络地址细分出比 A类 、B类、C类 更小的粒度网络。这种方式实际上就是将原来的 A类 、B类 、C类等分类中的主机地址部分作为子网地址，可以将原网络分为多个物理网络的一种机制。
子网掩码如果用二进制表示的话，也是一个32为的数字，它对应IP地址网络标识部分的位全部为 “1”，对应IP地址的主机标识部分则全部用 “0”。
例：有一个网络IP192.168.122.132，netmask 255.255.255.0，将这个网络平均划分成四个子网，请问每个子网的IP地址范围及子网掩码。
通过IP地址和子网掩码得到原网络的主机号个数（netmask 取反）：256
通过IP地址和子网掩码得到原网络号（IP地址 与 netmask 相与）：192.168.122.0
平均划分四个子网，则每个子网主机号个数（256/4）64个 0~63个
子网掩码：~63（255.255.255.192）
RFC1918规定，能够用于组建私网的网段只有：10.~.~.~ 、172.16.~.~ - 172.31.~.~ 、 192.168.~.~
3、特殊的IP地址： 192.168.122.132 255.255.255.0
主机号全为1的IP地址 局域网的UDP广播地址 192.168.122.255
主机号全为0的IP地址 网络号-识别一个网络 192.168.122.0
每一个局域网中，这两个主机号是不能分配给主机的意味着主机号虽然有256，但是能够分配给主机的只有254个
127.0.0.1 本地回环网卡地址 - 虚拟网卡地址 - 用于本机内的网络回环测试
二、IPv4
1、IPv4首部格式
- 4位版本号：指定IP协议的版本，对于IPv4来说，这个值为4；
- 4为头部长度（IHL）：标识该IP头部有多少个32bit字（4个字节），最长为60个字节；
- 8为服务类型（TOS）：包括一个3为的优先权字段，4个字节的TOS字段和1位保留字段（必须置0），其中四位TOS分别表示：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性、最小费用，其中最多只有一个可以被置为1；
- 16位总长度：是指整个IP数据报的长度，以字节单位，最大值为65536字节，但是由于MTU（最大传输单元）的限制，实际传输过程中长度远远没有达到最大值，超过MTU的数据报将会被分片传输；
- 16位标识：唯一的标识主机发送的每一个数据报，初始值由系统随机分配，每发送一个数据报，其值就加1；
- 3位标志字段：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：是分片先对原始IP数据报开始出的偏移；
- 8位生存时间（TTL）：是数据报达到目的地之前允许经过的路由器跳数，数据报没经过一个路由，该值就会被路由器减1，当为0时，该数据报就会被丢弃，并向源端发送ICMP差错报文，可以防止数据进入路由循环；
- 8位协议：是用来区分上层协议，比如ICMP是1、TCP是6、UDP是17；
- 16位头部校验和：由发送端填充，接收端对其使用CRC校验，判断IP数据报头部是否在传输过程中损坏；
- 32位源端IP地址
- 32位目的段IP地址
- 选项字段（最多40个字节，因为IP地址头部最长是60字节），可用的选项为：
- 记录路由：告诉数据报途径的所有路由器都将自己的IP地址填入IP头部的选项部分；
- 时间戳：告诉每个路由器都将数据报被转发的时间（或时间与IP地址对）填入IP头部选项部分；
- 松散路由选择：指定一个路由器IP地址列表，数据报发送过程都必须经过其中所有的路由器；
- 严格源路由选择：和松散路由选择类似，但是数据报只能经过被指定的路由器；
2、IP模块的工作流程
通过这张图片，我们可以很清晰的了解整个IP地址的工作流程。
首先当数据报进入 IP出入队列后，会对头部进行CRC校验，确认无误后就会对头部信息进行分析和判断。值得指出的一点是，在数据转发的过程中，如果IP数据报不允许被转发，则会丢弃该数据报。
【注】：文中图片均剪切自《图解TCP/IP(第五版)》、《Linux高性能服务器编程》
