通俗易懂网络协议（IP）

Socket抽象层位于应用层跟传输层之间，提供创建、绑定、监听、连接、发送、接收、关闭等常用方法。

Internet协议

IP是TCP/IP协议族中的核心协议，为传输层提供IP数据报的交付能力，它负责将IP数据报从网络一端传递到另一端，实现数据转发。

IP的另一个作用是：在发送端，接收来自传输层的协议数据单元(PDU)，添加IP首部封装为IP数据报，交给协议族的下一层链路层。

在接收端(包括中间路由器)，接收来自链路层的PDU，去掉IP首部，根据IP首部中的协议类型，将数据分发给TCP、UDP或者其他。

IP只是完成分组交换(转发)，如果你希望得到可靠性保证，IP会说：对不起，做不了。

发送一个IP数据报犹如寄一个快递，只需把目的地收件人写在快递上，快递公司会路由分发，但中间有可能丢件，丢了不管，而且到了，也不会有确认，一切随缘。

基于TCP/IP协议族构建的网络，可以区分为端系统(两边的主机)和中间系统(中间路由器)，端主机实现网络所有层，而路由器实现传输层之下的所有层，IP使用逐跳协议，IP之上的各层使用端到端协议。

路由器

路由器工作于网络层，是IP层的核心设备。

路由器有两个或两个以上的网络接口，用于连接两个或多个网络，负责将IP数据报(分组)从一个网络接口转发到另一个网络接口。

带有多网络接口(网卡)的主机也能承担转发分组的功能，这种主机称为作为路由器使用的主机。

如果把一个村庄比喻成一个小的局域网，那路由器就相当于连接村庄的桥梁，路由器属于中间系统，所以连接不同网络的路由器需要实现不同的链路层协议，完成不同链路层的翻译转换功能。

另一方面，路由器实现链路层+网络层这2层就够了，而不必实现传输层和应用层，这是由它的功能(实现分组交换)决定的。

每个IP分组都是一个IP数据报，包含发送方和接收方的第三层地址(IP地址)，即32位的IPv4或128位的IPv6，IP数据报首部中的目的地址决定将该数据报发往何处，而做出决定和发送数据报到下一跳的过程叫转发，转发依赖于路由表，是存储于内存中的一个数据结构。

IP协议格式

在贴出IP协议格式之前，我们可以设想一下，IP协议需要包括哪些信息，这比直接上图+死记硬背要好。

根据之前封装的描述，显然，IP数据报应该是包括IP首部+数据负载，而这个不透明的负载(Payload)来自于TCP、UDP或者其他。

所以我们讲IP数据报格式，其实就是IP首部的组成和结构，因为数据负载来自于上层，而封装的本质要求上层的数据对下层隐藏、无须解释，既然IP的Payload对于IP层透明，那自然没什么可讲的。

IP首部由各种不同用途和含义的字段组成。

因为IP分32位的IPv4和128位的IPv6，所以IP首部需要包括版本号字段用来区分这两种情况。

因为IP负责分组转发，所以IP首部应该包括目的IP地址，用于路由转发逻辑的处理，另外接收端可能需要找到该分组的来源，所以也应该包含来源IP地址。

TCP、UDP、ICMP、IGMP都通过IP数据报传输，所以在IP首部，需要包含一个协议字段，用于区分该IP数据报承载的是哪种类型的协议。

IP不纠错，但是需要检查错误，数据在传输过程中，有可能出错，导致接收到的数据跟发送的不一样，所以接收端需要有方法知道传输过程中，数据是否跟发送端一致，所以头部校验和字段也是必要的。

因为IP要处理分片和重组，所以IP首部需要包含相关信息，以支持该功能。

IP分IPv4和IPv6两种，协议格式不同，本文讲述以IPv4为主，先给一个IPv4的数据报图，不带选项的IP数据报头部为20字节。

• 版本，IP协议的第一个字段都是版本字段，这也是IPv4和IPv6唯一相同的字段，IP数据报的版本字段为4对应IPv4，为6对应IPv6，主机或者路由器可以根据版本字段，分别处理IPv4或IPv6(称为双栈)。
• IHL，Internet头部长度，该字段为4位，表示头部(包括选项)32位字的数量，也就是说，真正的用字节表示的头部长度应该是IHL的值，再乘以4(32位=4字节)，因为4位能表示的最大2进制为1111，对应十进制15，所以IPv4的首部最多60(15*4)字节。
• DS，服务类型字段占6bit，显示控制通知(ECN)占2bit，一共8bit，该8bit用来替换了最初版本的服务类型(ToS)字段，原因是ToS其实没怎么被用。
• 总长度字段，是IP数据报的总长度，包括首部和数据。

接下来的32位字(4字节)，标识(16bit)+标志(3bit)+分片偏移(13bit)用于分片和重组逻辑。

• TTL，生存期字段用于设置数据报可经过路由器数量的上限。超此上限的IP数据报将被丢弃。
• 协议字段，8bit，提供多路分解功能，满足IP协议可用于携带多种(TCP、UDP、ICMP、IGMP等)协议类型的有效载荷的要求，TCP对应值17，UDP对应值为6。
• 头部校验和字段，仅计算IPv4头部，不包括数据，数据(Payload)的校验由传输层协议去保证，校验和的含义很简单明了，在发送端根据IP头部的各位计算出一个数值，接收端根据接收到的IP头部的各位重算一个数值，如果该值等于校验和字段，那就哦了，否则，传输过程中出错了，这个IP数据报不靠谱，扔了吧。

分片和重组

链路层对可传输的帧有一个最大长度的限制，以太网对数据帧的长度上限是1500字节，链路层可传输帧的长度限制叫做最大传输单元(MTU)。

如果IP层有一个数据报要传，且数据长度比链路层的MTU还大，那么IP层就需要对该数据报分片(fragmentation)，把超限的数据报切分为若干片，使得每片都小于MTU限制。

（编辑：厦门网）

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