簡介
TCP/IP協議族中最核心的協議，提供不可靠、無連接的數據報傳輸服務。
- 不可靠：不能保證IP數據報能成功送達。
- 無連接：並不維護后續數據報的狀態信息，每個數據報的處理都是相互獨立。數據報可能不會按照發送順序接收。同一站點向另一站點發送的多個數據報可能經過不同的路由到達。
幀格式
IP數據報格式如下。
- 版本：IP協議版本號，目前為4。故稱為IPv4.
- 首部長度：以4字節為單位。最小值為5，不包含可選字段的IP首部大小為20字節。最大值為15，故IP首部最大長度為60字節。
- 服務類型(TOS)：3bit優先權(已被忽略)，4bit的TOS字段，1bit未用(0)。4bit的TOS分別為最小時延、最大吞吐量、最高可靠性、最小費用。4bit中只能置其中一個為1。全零時表示一般服務。現在大多數TCP/IP實現都不支持TOS特性，但是無線中QoS有用到該字段。
- 總長度：整個IP數據報的長度，以字節為單位。16bit，可知IP數據報最大長度為65535字節。
- 標識符：唯一標示一份IP數據報。通常值遞增。
- 標志位：
- 片偏移：
- TTL：time to live，生存時間。設置了數據報可以經過的最多路由器數。由源主機設置，每經過一個路由器，該值減一，當值為0時，被丟棄。並發送ICMP報文通知源主機。
- 協議：標示基於IP的協議。ICMP：1，IGMP：2，TCP：6，UDP：17。
- 首部校驗和：根據IP首部計算的校驗和，不對首部后面的數據進行計算。先置檢驗和為0，按照16bit進行二進制反碼求和，結果存放於檢驗和字段中。
- 源IP地址
- 目的IP地址
- 可選字段：
安全和處理限制（用於軍事領域，詳見RFC 1108）
記錄路徑（讓每個路由器都記下它的IP地址）
時間戳（讓每個路由器都記下它的IP地址和時間）
寬松的源站選錄（為數據報指定一系列必須經過的IP地址）
嚴格的源站選錄（只能經過指定的這些地址）
可選字段必須是32bit的整數倍，必要時需要插入0進行填充，因為IP首部始終是32bit的整數倍（這是首部長度字段要求的）
IP路由選擇
對於主機，如果目的主機和源主機直接相連，或者處於同一個網絡中，IP數據報就直接發送到目的主機。否則，主機將數據報發送給默認的路由器，由路由器來轉發包。
IP層可以配置成路由器的功能，也可以配置成主機功能。區別是，主機不轉發數據報，而路由器需要轉發包。
IP層在內存中都有一個路由表，當收到數據報進行發送時，都要搜索該表。
路由表每項包含的信息：
- 目的IP地址。可以是主機地址，也可以是網絡地址，由下述的標志來標示。
- 下一跳路由器的IP地址，或者是直接連接的接口。
- 標志。一個標志標示目的IP是網路地址還是主機地址，另一個標志指示下一站路由器是否為真正的下一站路由器，還是一個直連的接口。
- 為數據報的傳輸指定一個網絡接口。
IP路由選擇主要完成下面的功能：
1) 搜索路由表，尋找與目的IP完全匹配的條目。如果找到，則把報文發給下一站路由或者直連接口(取決於標志字段的值)
2) 搜索路由表，尋找與目的網絡號匹配的條目。找到的處理同上。這種搜索網絡的匹配方法必須考慮可能的子網掩碼。
3) 搜索路由表，尋找標為“默認（default）”的條目。如果找到，處理同上。
如果上述都沒成功，則丟棄該包，並返回主機不可達或者網絡不可達的錯誤。
數據包在傳輸過程中，經過不同的鏈路層或不同的網絡會構造不同的鏈路層首部，但是IP部分不會更改（忽略路由器的NAT功能）。鏈路層的目的地址（如果有的話），始終是下一站的鏈路層地址。
子網尋址
最早：IP地址 = 網絡號 + 主機號
子網編址：IP地址 = 網絡號 + 子網號 + 主機號
子網對於子網以外的路由器都是透明的，對於子網內部的路由器不透明。
RFC 1009允許含有子網的一個網絡使用多個子網掩碼。
IP地址編址方案：將IP地址划分為A，B，C，D，E五類，其中A，B，C為基本類，D，E類作為多播和保留使用。
| 網絡類別 |
最大網絡數 |
IP地址范圍 |
最大主機數 |
私有IP地址范圍 |
| A |
126（2^7-2) |
1.0.0.0--126.255.255.255 |
16777214 |
10.0.0.0--10.255.255.255 |
| B |
16384(2^14) |
128.0.0.0--191.255.255.255 |
65534 |
172.16.0.0--172.31.255.255 |
| C |
2097152(2^21) |
192.0.0.0--223.255.255.255 |
254 |
192.168.0.0--192.168.255.255 |
內部私有地址：
A類 10.0.0.0--10.255.255.255
B類 172.16.0.0--172.31.255.255
C類 192.168.0.0--192.168.255.255
特殊的IP地址：
0表示所有的比特為0，-1表示所有的比特位全為1，netid、subnetid和hostid分別表示不為全0或全1的對應字段。子網號欄為空表示該地址沒有進行子網划分。
