网络层最核心的协议就是IP协议（Internet Protocol，因特网协议）。IP协议根据数据包的目的IP地址来决定如何投递它。如果数据包不能直接发送给目标主机，那么IP协议就为它寻找一个合适的下一跳（next hop）路由器，并将数据包交付给路由器来转发。多次重复这个一跳一跳的过程，最终将数据包交送给目标主机，或者由于发送失败而被丢弃。
IP协议的三个特点：
- 无状态：是指IP通信双方不同步传输数据的状态信息，因此所有IP数据报的发送、传输和接收都是相互独立、没有上下文关系的。这种服务的缺点就是无法处理乱序和重复的IP数据报（比如第N+1个IP数据报要比第N个IP数据报先到接收端，而同一个IP数据报可能通过不同路径多次到达接收端）。接收端的IP层只要接收到了IP数据报就将数据部分交给上层协议，那么从上层协议来看，这些数据可能是乱序的（注意IP头部的标识段是用来标识IP分片的，能够标识一个IP数据报的分片，而不是用来指示多个IP数据报的接收顺序）。无状态也有优点：那就是简单，高效
- 无连接：IP通信双方都不长久地维持对方的任何信息。上层协议每次发送数据的时候，都必须明确指定IP地址。
- 不可靠：IP协议不能够确保IP数据报能够准确到达，只承诺尽最大努力。当IP数据报因为种种原因被中途丢弃的时候，会发送一个ICMP错误消息给发送端，这样就会通知上层协议发送失败，而不会试图重新传送。因此IP协议的上层协议（比如TCP协议）需要自己实现数据确认、超时重传等机制以达到可靠传输
本文先来看看IP协议的头部结构。
IP协议头
- 4位版本号：指定IP协议的版本，IPv4就是4
- 4位首部长度：IP头部的长度是多少个32位。4位的最大值是15,32位是4个字节，所以IP头部的最大值是4*15=60个字节。从上图可以推断出，选项部分最多有40个字节
- 8位服务类型（TOS）：3位优先权字段（现在已经被忽略），4位TOS字段，和1位保留字段（必须置为0），4位TOS分别表示：最小延时，最大吞吐量，最高可靠性，最小成本。这四者相互冲突，只能选择一个。对于ssh/telnet这样的应用程序，最小延时比较重要；对于ftp这样的应用程序，最大吞吐量比较重要
- 16位总长度：IP数据报整体占多少个字节，因此IP数据报的最大长度是2^16-1=65535个字节，但由于MTU的限制，长度超过MTU的数据都将被分片传输，所以实际传输的IP数据报（或分片）的长度都远远没有达到最大值，接下去的三个字段描述如何分片
- 16位标识：唯一的标识主机发送的每一个数据报，其初始值由系统随机生成；每发送一个数据报，其值就+1。如果IP报文在数据链路层被分片了，那么每一个片里面的这个标识是相同的
- 3位标志（MF）：第一位保留（现在不用，没想好以后用不用），第二位置为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过MTU，IP模块就会丢弃报文并返回一个ICMP差错报文。第三位表示“更多分片”，即如果最后这一位是1，表示这是最后一个分片，其余之前的分片这一位是0，这一位相当于一个结束标志，表示之后还有没有分片
- 13位分片偏移：是分片相对于原始IP报文开始处的偏移。其实就是表示当前分片在原报文中的哪个位置。实际偏移的字节数是这个数*8得到的。因此，除了最后一个报文外，其他报文的长度必须是8的整数倍（否则报文就不连接了）
- 8位生存时间（TTL）：数据报到达目的地的最大报文跳数。一般是64。每次经过一个路由，TTL-1，一直减到0还没到达，那么就丢弃了并向源端发送一个ICMP差错报文。这个字段主要是用来防止出现路由循环
- 8位协议（protocol）：用来区分上层协议，其中，ICMP是1，TCP是6，UDP是17，具体的可看/etc/protocols文件
- 16位头部校验和：由发送端填充，接收端对其使用使用CRC（循环冗余校验）算法进行校验，来鉴别头部是否损坏
- 32位源地址和32位目的地址：表示发送端和接收端
-
选项：最长40字节（60最大长度-20固定长度）。
- 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头部的选项部分
- 松散源路由选择：指定一个路由器IP地址列表，数据报发送过程必须经过其中所有的路由器
- 严格源路由选择：与松散源类似，不同的是只能经过列表中的被指定的路由器
- 数据：即上一层TCP和UDP的数据报
使用tcpdump观察IPv4头部结构
我们从测试机器上执行telnet登录本机，并用tcpdump抓取这个过程中telnet客户端程序和telnet服务器程序之间交换的数据包。具体命令如下
sudo tcpdump -ntx -i lo //抓取本地回路上的数据包，-x可以以十六进制显示数据包内容
telnet 127.0.0.1 //另开一个终端，登录本地telnet服务器
此时观察tcpdump输出的第一个数据包
该数据报描述的是一个IP数据报，由于我们是使用telnet登录本机的，所以源IP地址和目的IP地址都是127.0.0.1。telnet服务器的端口号是23，而客户端程序所用的是临时端口号59200。“Falgs seq win options”都是TCP的头部信息，这里暂且不讨论，length表示该IP数据报所携带的应用程序数据的长度。
重点来看看下面以十六进制格式打印出来的数据，是IP头部的内容信息
十六进制数 |
十进制表示 |
IP头部信息 |
0x4 |
4 |
IP版本号 |
0x5 |
5 |
头部长度为5个32位（20字节） |
0x10 |
TOS选项中最小延时服务被开启 |
|
0x003c |
60 |
数据报总长度，60字节 |
0x2654 |
数据报标识，随机生成 |
|
0x4 |
设置了禁止分片标志（实际4位，只用前3位，实际0100，取010，第二位为1表示禁止分片） |
|
0x000 |
0 |
分片偏移 |
0x40 |
64 |
TTL被设为64 |
0x06 |
6 |
协议字段为6，表示上层协议是TCP |
0x1656 |
IP头部校验和 |
|
0x7f000001 |
32位源IP地址127.0.0.1 |
|
0x7f000001 |
32位目的IP地址127.0.0.1 |
如上可见，telnet服务选择使用具有最小延时的服务，且默认的传输层协议是TCP。