IP协议 （通俗易懂），IP协议的主要功能及实现原理，IP地址分类，IP数据包分片，IP数据报格式。

「作者主页」：士别三日wyx
「作者简介」：CSDN top100、阿里云博客专家、华为云享专家、网络安全领域优质创作者
「专栏简介」：此文章已录入专栏《计算机网络零基础快速入门》

本章重点

1. IP协议的作用是什么？
2. IP地址分类有哪些？
3. IP数据包为什么分片？怎么分片？

IP协议

IP是一种
「不可靠」的
「端到端」的数据包
「传输服务」，主要实现两个功能：数据传输 和 数据分片。

一、IP地址

IP协议根据「IP地址」将数据传输到指定的目标主机，就像你寄快递的时候需要提供一个收货地址一样。

IP地址是全世界唯一的 32 位「二进制」数，通常用4位点分十进制来表示。

在 cmd 中执行 ipconfig 命令，查看本机的IP地址：

为了便于寻址以及层次化构造网络，每个IP地址分为「网络号码」和「主机号码」两个部分，同一个物理网络上的所有主机都使用同一个网络号码。

1）IP地址分类

IP地址分为A、B、C、D、E五类。

A类地址第一段是网络号码，剩下三段是主机号码；
B类地址前两段是网络号码，剩下两段是主机号码；
C类地址前三段是网络号码，最后一段是主机号码；
类别IP范围子网掩码描述A类（1126）1.0.0.1 ~ 127.255.255.254255.0.0.0共有126个网络，每个网络有1600万台主机，适合大规模的网络。B类（128191）128.0.0.1 ~ 191.255.255.254255.255.0.0共有16384个网络，每个网络有6万台主机，适合中等规模的网络。C类（192223）192.0.0.1 ~ 233.255.255.254255.255.255.0共有209万个网络，每个网络有254台主机，适合小型网络。D类（224239）224.0.0.0 ~ 239.255.255.255组播地址E类（240~255）240.0.0.0 ~ 255.255.255.254保留地址

2）私有IP地址

A、B、C类地址中，分为公有IP和私有IP。

公有IP就是「可以注册」购买的IP；
私有IP就是「无法注册」的，用于内部使用的私有地址，私有地址如下：

A类 10.0.0.0–10.255.255.255，1个

B类 172.16.0.0–172.31.255.255，16个

C类 192.168.0.0–192.168.255.255，255个

A、B、C类地址范围中，私有IP外的地址都是公有地址（特殊地址除外）。

3）特殊IP地址

部分地址拥有特殊的含义，比如下面这些：
类型地址格式描述全0地址0.0.0.0路由表的默认路由，表示整个网络，即网络内的所有主机，而非某一个主机，不可用。网络号全00.x.x.x本网内某个特定主机主机号全0x.0.0.0网络地址，表示整个网络全1地址255.255.255.255子网的广播地址，路由器不转发主机号全1x.255.255.255广播地址，对当前网络所有主机进行广播环回地址127.0.0.1 ~ 127.255.255.254代表本机IP，可用于测试网络连通性
IP地址是数据传输功能的基础，有了IP地址，我们就能知道数据要发送到什么地方。

二、数据分片

IP协议负责将网络层的IP数据报（IP分组）传输到链路层，由链路层将数据封装成帧。

帧最多只能封装 1500 字节（默认）的数据，当超过上限时，就需要分割数据，放到多个数据帧中传输，到达目标主机后，再将数据重组起来。

分割和重组的操作在路由器中完成，发送方发送的信息经过路由器时，路由器会将数据「分割」，放到不同的数据帧中，并在帧首部的字段（MF）标明数据的顺序；

当数据传输到目的路由器后，再根据帧首部的字段将信息「重组」，发送给目标主机。

三、IP数据报

IP协议从网络层传输到数据链路层的数据叫做IP数据报；

IP数据报分为首部和数据两个部分：

首部分由固定部分（20字节）和可变部分组成，首部格式如下：

1）版本（4位）：IP协议版本，目标主机按照此版本解释数据，如果目标主机使用的是其他版本，则丢弃数据报。

2）首部长度（4位）：数据报协议头长度，最小值为5，最大值为15。

3）服务（8位）：用于分配优先级、延迟、吞吐量以及可靠性；前3位是优先级，后面4位成为服务类型，最后1位没有定义。

4）总长度（16位）：IP数据报的字节长度（协议头部和数据），其最大值为65535字节。

5）标识（16位）：一个整数，数据报分段时，用于识别当前数据报。

6）标记（3位）：由3位字段构成，最低位（MF）控制分段，存在下一个分段置为1，否则置0代表该分段是最后一个分段；中间位（DF）指出数据报是否可进行分段，如果为1则机器不能将该数据报进行分段；第三位即最高位保留不使用，值为0。

7）分段偏移（13位）：指出数据在源数据报中的相对位置，用于重组源数据。

8）生存时间（8位）：一种计数器，在丢弃数据报的每个点值依次减1直至减少为0。这样确保数据报拥有有限的环路过程（即TTL），限制了数据报的寿命。

9）协议（8位）：指明上层接收数据报的协议。

10）头部校验和（16位）：该字段帮助确保IP协议头的完整性。由于某些协议头字段的改变，这就需要对每个点重新计算和检验。计算过程是先将校验和字段置为0，然后将整个头部每16位划分为一部分，将个部分相加，再将计算结果取反码，插入到校验和字段中。

11）源地址（32位）：源主机IP地址，该字段在IPv4数据报从源主机到目的主机传输期间必须保持不变。

12）目的地址（32位）：目标主机IP地址，该字段在IPv4数据报从源主机到目的主机传输期间同样必须保持不变。