Internet网络层中的重要协议——IP协议
一、Internet网络层
Internet网络是典型的数据报网络，数据报网络主要实现的是 路由 和 转发 ：
路由器通过运行路由协议，根据路由算法，计算路径信息
路径选择
2、IP协议（寻址、数据报格式、分组格式）
IPv4数据报（分组）格式：
①版本号：ip协议的版本，字段占4位
②首部长度：字段占4位，给出的最大值为15。但是，从图中我们可以看到，首部有5行，每行为32位4个字节（未包括可变的选项字段），总共有20个字节，最大值15肯定是无法满足的，所以规定，首部长度这四位，是以4字节位为单位的（需要乘以4）字节
③服务类型tos：指示期望获得哪种类型的服务，一般情况下不死好用，通常ip分组该字段的值为00H
④总长度：占16位，ip分组的总字节数（首部+数据）
最大ip分组的总长度，65535B；
最小的ip分组首部：20B；
最大的ip封装数据：65535-20=65515B
注意，在实际中不会有这种理想情况
⑤生存时间TTL：占8位，IP分组在网络中可以通过的路由器数或跳步数
路由器每转发一次分组，TTL减1
当TTL=0，说明寿命到了，路由器将丢弃该IP分组
⑥协议：指示ip分组封装的是哪个协议的数据包
可以实现复用/分解
6为TCP，表示封装的是TCP段
17为UDP，表示封装的是UDP段
⑦首部校验和：占16位，实现队IP分组首部的差错检测
计算校验和时，该字段置全0（与UDP差错检测是一样的）
关键：采用反码算数运算求和（进位1加到第一位），和的求反码作为首部校验和字段，结果全为1则是正确的
注意，因为首部校验和是对首部进行校验，每一次路由器转发分组时，TTL都会减1，所以每次都要重新计算
⑧源IP地址和目的IP地址：各占32位4个字节
发送分组的源主机/路由器（网络接口）
接收分组的目的主机/路由器（网络接口）
⑨选项字段：长度可变，范围在1~40B之间
用于网络的探测，可以携带安全、源选路径、时间戳、路由记录等内容
注意，这个字段实际上很少使用，因此，典型的ip数据报是20个字节（4个字节x5行）
⑩填充：首部是以4字节位单位的，因此要补足
2-1、IP分片与重组
（1）
最大传输单元MTU：链路层数据帧可以封装数据的上限，不同链路的MTU是不一样的。
由上图，大IP分组向较小MTU、链路转发时，可以被“分片”，fragmented
将一个IP分组分为多片IP分组；
注意，并不是一定要分片，路由器发现有的IP分组不允许分片，此时则被丢弃。
重组：reassembled
ip分片到达目的主机后才进行重组，
因为路由器不负责重组
（2）
目的主机假如要正确地重组，则需要ip首部的相关字段参与，
用于标识分片（是否分片）以及确定分片的相对顺序
（总长度、标识、标志位、片偏移）
①标识ID，用于标识一个IP分组
IP协议利用一个计数器，每产生IP分组，计数器便加1，作为该IP分组的标识
②标志位，占3位
DF：dont fragment
=1，禁止分片；=0允许分片；
MF：more fragment
=1，非最后一片；=0，最后一片（或根本没有分片）
Q：当MF=1的时候，是分片的哪一片；当MF=0，怎么知道是最后一片还是没有分片
A：考虑片偏移量
③片偏移，占13位
首先，没有分片，偏移量为0；
一个ip分组分片封装原ip分组数据的相对偏移量：数据的哪一个字节开始分，最后一片肯定MF=0
注意，片偏移量字段以8字节为单位，与首部长度以4字节为单位的原理一致
所以，在ip分组分片过程中，除了最后一片，所有分片封装的数据字节数一定是8的倍数
IP分片过程：
2-2、IP编址addressing
一个ip数据报，需要两个重要的IP地址：源IP地址和目的IP地址
Q：源IP地址哪里发出来的？目的IP地址要发到哪里去？
A：源主机的接口interface和目的主机的接口interface
接口：interface
主机/路由器与物理链路的链接
- 实现网络层功能的接口
- 路由器通常为了转发需要多个接口
- 作为端系统，通常要实现五层的功能，包括网络层，因此也需要接口，主机通常只有一两个接口（如有线的以太网接口和无线的802.11接口）
IP地址：32比特（IPv4）的二进制数
通过IP地址，唯一标识网路中的主机、路由器的接口
或者说，IP地址与每一个接口关联
怎么样给接口分配IP地址？
把IP地址分为两部分：网络号+主机号
基本原则：
保证分配到某一个网络区域中的这些接口的IP地址，其网络号是相同的，如下图
具有相同网络号的接口集合——IP子网
利用他们相同的网络号，来描述这个区域的网络
IP子网的特点：
①具有相同的网络号
②所有的接口是不跨越路由器的，彼此之间是物理联通的
IP子网的作用
有了IP子网，我们就可以在路由器的转发表中，比如存储向哪个网络转发数据的时候， 就可以不用去记录具体的主机的IP地址，只需记录这个区域的网络的子网地址就可以了
（利用一个特殊地址，来描述一个ip子网的整体，如下图）
ip协议在传输和处理分组过程中，难免会出现差错，此时需要把差错信息传输给一些主机和路由器，就需要新的协议——icmp协议
因此，假如要实现IP协议传输分组，离不开icmp协议。