IP 协议（网际协议）

IP协议是TCP/IP协议的核心，所有的TCP，UDP，IMCP，IGCP的数据都以IP数据格式传输。

要注意的是，IP不是可靠的协议，这是说，IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制－－这被认为是上层协议（TCP或UDP）来负责的事情。所以这也就出现了TCP是一个可靠的协议，而UDP就没有那么可靠的区别。

IP Datagram Format

IPv4

IPv4 Datagram分为首部（Header）和数据两部分。IPv4 Header由**固定部分（Basic）和选项部分（Options）**组成，其中固定部分的大小为20 bytes。IPv4 Header最大为60 bytes。

IP版本：现在的IP版本号是4，所以也称作IPv4。现在还有IPv6，而且运用也越来越广泛了。

TTL（Time-to-Live）：这个字段规定该数据包在穿过多少个路由之后会被抛弃。

这里就体现出来IP协议包的不可靠性，它不保证数据被送达。某个IP数据包每穿过一个路由器，该数据包的TTL数值就会减少1，当该数据包的TTL成为零，它就会被自动抛弃。这个字段的最大值也就是255，也就是说一个协议包也穿行过路由器255次后就会被抛弃了，根据系统的不同，这个数字也不一样，一般是32或者是64，Tracerouter这个工具就是用这个原理工作的，tranceroute的-m选项要求最大值是255，也就是因为这个TTL在IP协议里面只有8bit。

ToS(Type of Service)：DS Field(Differentiated Services Field) + ECN(Explicit Congestion Notification, 显式拥塞通知)

IPv6

与IPv4 Header不同，IPv6 Header具有固定的大小（40 bytes），并且没有选项部分。但是IPv6 Header可以有扩展首部（extension headers），其作用与Options类似。Next Header字段用于指示extension headers。

IP路由选择

当一个IP数据包准备好了的时候，IP数据包（或者说是路由器）是如何将数据包送到目的地的呢？它是怎么选择一个合适的路径来"送货"的呢？

最特殊的情况是目的主机和主机直连，那么主机根本不用寻找路由，直接把数据传递过去就可以了。至于是怎么直接传递的，这就要靠ARP协议了。

稍微一般一点的情况是，主机通过若干个路由器（router）和目的主机连接。那么路由器就要通过IP包的信息来为IP包寻找到一个合适的目标来进行传递，比如合适的主机，或者合适的路由。路由器或者主机将会用如下的方式来处理某一个IP数据包：

如果IP数据包的TTL（生命周期）已到，则该IP数据包就被抛弃。
搜索路由表，优先搜索匹配主机，如果能找到和IP地址完全一致的目标主机，则将该包发向目标主机
搜索路由表，如果匹配主机失败，则匹配同子网的路由器，这需要“子网掩码(1.3.)”的协助。如果找到路由器，则将该包发向路由器。
搜索路由表，如果匹配同子网路由器失败，则匹配同网号路由器，如果找到路由器，则将该包发向路由器。
搜索路由表，如果以上都失败了，就搜索默认路由，如果默认路由存在，则发包
如果都失败了，就丢掉这个包

这再一次证明了，IP包是不可靠的。因为它不保证送达。

IP分片

物理网络层一般要限制每次发送数据帧的最大长度。任何时候IP层接收到一份要发送的IP数据报时，它要判断向本地哪个接口发送数据（选路），并查询该接口获得其MTU。IP把MTU与数据报长度进行比较，如果需要则进行分片。分片可以发生在原始发送端主机上，也可以发生在中间路由器上。

把一份IP数据报分片以后，只有到达目的地才进行重新组装（这里的重新组装与其他网络协议不同，它们要求在下一站就进行进行重新组装，而不是在最终的目的地）。重新组装由目的端的IP层来完成，其目的是使分片和重新组装过程对运输层（TCP和UDP）是透明的，除了某些可能的越级操作外。已经分片过的数据报有可能会再次进行分片（可能不止一次）。IP首部中包含的数据为分片和重新组装提供了足够的信息。

回忆IP首部，下面这些字段用于分片过程。对于发送端发送的每份IP数据报来说，其标识字段都包含一个唯一值。该值在数据报分片时被复制到每个片中（我们现在已经看到这个字段的用途）。标志字段用其中一个比特来表示“更多的片”。除了最后一片外，其他每个组成数据报的片都要把该比特置1。片偏移字段指的是该片偏移原始数据报开始处的位置。另外，当数据报被分片后，每个片的总长度值要改为该片的长度值。

当IP数据报被分片后，每一片都成为一个分组，具有自己的IP首部，并在选择路由时与其他分组独立。这样，当数据报的这些片到达目的端时有可能会失序，但是在IP首部中有足够的信息让接收端能正确组装这些数据报片。

尽管IP分片过程看起来是透明的，但有一点让人不想使用它：即使只丢失一片数据也要重传整个数据报。为什么会发生这种情况呢？因为IP层本身没有超时重传的机制——由更高层来负责超时和重传（TCP有超时和重传机制，但UDP没有。一些UDP应用程序本身也执行超时和重传）。当来自TCP报文段的某一片丢失后，TCP在超时后会重发整个TCP报文段，该报文段对应于一份IP数据报。没有办法只重传数据报中的一个数据报片。事实上，如果对数据报分片的是中间路由器，而不是起始端系统，那么起始端系统就无法知道数据报是如何被分片的。就这个原因，经常要避免分片。

使用UDP很容易导致IP分片（在后面我们将看到，TCP试图避免分片，但对于应用程序来说几乎不可能强迫TCP发送一个需要进行分片的长报文段）。我们可以用sock程序来增加数据报的长度，直到分片发生。在一个以太网上，数据帧的最大长度是1500字节，其中1472字节留给数据，假定IP首部为20字节，UDP首部为8字节。我们分别以数据长度为1471,1472,1473和1474字节运行sock程序。最后两次应该发生分片：

Reference

Oracle System Administration Guide: IP Services - https://docs.oracle.com/cd/E19683-01/806-4075/ipov-10/index.html
Comer, D.E., 1995. Internetworking with TCP/IP, Vol. I: Principles, Protocols, and Architecture, 3/e.
TCP/IP 协议 - https://juejin.im/entry/57a2b0742e958a006679dae0
关于 TCP/IP，必知必会的十个问题 - https://juejin.im/post/598ba1d06fb9a03c4d6464ab
网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？ - http://www.52im.net/thread-2067-1-1.html
面试时，你被问到过 TCP/IP 协议吗? - https://juejin.im/post/58e36d35b123db15eb748856

【Network】IP 协议（网际协议）