IPv4首部一般是20字節長。在以太網幀中，IPv4包首部緊跟着以太網幀首部，同時以太網幀首部中的協議類型值設置為080016。 IPv4提供不同，大部分是很少用的選項，使得IPv4包首部最長可擴展到60字節(總是4個字節4個字節的擴展)
| 0 | 4 | 8 | 12 | 16 | 19 | 24 | 31 |
| 版本 | 首部長度 | 服務類型 | 長度 | ||||
| 認證 | 標志 | 段偏移量 | |||||
| TTL | 協議 | 校驗和 | |||||
| 源IP地址 | |||||||
| 目的IP地址 | |||||||
| 選項 ... | |||||||
IP包頭字段說明
版本：4位，指定IP協議的版本號。
包 頭長度(IHL)：4位，IP協議包頭的長度，指明IPv4協議包頭長度的字節數包含多少個32位。由於IPv4的包頭可能包含可變數量的可選 項，所以這個字段可以用來確定IPv4數據報中數據部分的偏移位置。IPv4包頭的最小長度是20個字節，因此IHL這個字段的最小值用十進制表示就是5 (5x4 = 20字節)。就是說，它表示的是包頭的總字節數是4字節的倍數。
服務類型：定義IP協議包的處理方法，它包含如下子字段
過程字段：3位，設置了數據包的重要性，取值越大數據越重要，取值范圍為：0（正常）~ 7（網絡控制）
延遲字段：1位，取值：0（正常）、1（期特低的延遲）
流量字段：1位，取值：0（正常）、1（期特高的流量）
可靠性字段：1位，取值：0（正常）、1（期特高的可靠性）
成本字段：1位，取值：0（正常）、1（期特最小成本）
未使用：1位
長度：IP包的總長
認證：
標志：是一個3位的控制字段，包含：
保留位：1位
不分段位：1位，取值：0（允許數據報分段）、1（數據報不能分段）
更多段位：1位，取值：0（數據包后面沒有包，該包為最后的包）、1（數據包后面有更多的包）
段偏移量：當數據分組時，它和更多段位（MF, More fragments）進行連接，幫助目的主機將分段的包組合。
TTL：表示數據包在網絡上生存多久，每通過一個路由器該值減一，為0時將被路由器丟棄。
協議：8位，這個字段定義了IP數據報的數據部分使用的協議類型。常用的協議及其十進制數值包括ICMP(1)、TCP(6)、UDP(17)。
校驗和：16位，是IPv4數據報包頭的校驗和。
源IP地址：
目的IP地址：
選項（IP Options）：本書不討論。
填充（Padding）：當IP報文頭長度不是32比特的整數倍時，填充0來湊齊32比特整數倍，沒有實際意義。
數據（Data）：來自第4層的數據段。
IPv4的頭部結構如圖2-1所示。其長度通常為20字節，除非含有可變長的選項部分。
4位版本號（version）指定IP協議的版本。對IPv4來說，其值是4。其他IPv4協議的擴展版本（如SIP協議和PIP協議），則具有不同的版本號（它們的頭部結構也和圖2-1不同）。
4位頭部長度（header length）標識該IP頭部有多少個32bit字（4字節）。因為4位最大能表示15，所以IP頭部最長是60字節。
8位服務類型（Type Of Service，TOS）包括一個3位的優先權字段（現在已經被忽略），4位的TOS字段和1位保留字段（必須置0）。4位的TOS字段分別表示：最小延 時，最大吞吐量，最高可靠性和最小費用。其中最多有一個能置為1，應用程序應該根據實際需要來設置它。比如像ssh和telnet這樣的登錄程序需要的是 最小延時的服務，而文件傳輸程序ftp則需要最大吞吐量的服務。
16位總長度（total length）是指整個IP數據報的長度，以字節為單位，因此IP數據報的最大長度為65535（216-1）字節。但由於MTU的限制，長度超過MTU 的數據報都將被分片傳輸，所以實際傳輸的IP數據報（或分片）的長度都遠遠沒有達到最大值。接下來的3個字段則描述了如何實現分片。
16位標識（identification）唯一地標識主機發送的每一個數據報。其初始值由系統隨機生成；每發送一個數據報，其值就加1。該值在數據報分片時被復制到每個分片中，因此同一個數據報的所有分片都具有相同的標識值。
3位標志字段的第一位保留。第二位（Don’t Fragment，DF）表示“禁止分片”。如果設置了這個位，IP模塊將不對數據報進行分片。在這種情況下，如果IP數據報長度超過MTU的話，IP模 塊將丟棄該數據報並返回一個ICMP差錯報文。第三位（More Fragment，MF）表示“更多分片”。除了數據報的最后一個分片外，其他分片都要把它置1。
13位分片偏移（fragmentation offset）是分片相對原始IP數據報開始處（僅指數據部分）的偏移。實際的偏移值是該值左移3位（乘8）后得到的。由於這個原因，除了最后一個IP分 片外，每個IP分片的數據部分的長度必須是8的整數倍（這樣才能保證后面的IP分片擁有一個合適的偏移值）。
8位生存時間（Time To Live，TTL）是數據報到達目的地之前允許經過的路由器跳數。TTL值被發送端設置（常見的值是64）。數據報在轉發過程中每經過一個路由，該值就被路由器減1。當TTL值減為0時，路由器將丟棄數據報，並向源端發送一個ICMP差錯報文。TTL值可以防止數據報陷入路由循環。
8位協議（protocol）用來區分上層協議，我們在第1章討論過。/etc/protocols文件定義了所有上層協議對應的protocol 字段的數值。其中，ICMP是1，TCP是6，UDP是17。/etc/protocols文件是RFC 1700的一個子集。
16位頭部校驗和（header checksum）由發送端填充，接收端對其使用CRC算法以檢驗IP數據報頭部（注意，僅檢驗頭部）在傳輸過程中是否損壞。
32位的源端IP地址和目的端IP地址用來標識數據報的發送端和接收端。一般情況下，這兩個地址在整個數據報的傳遞過程中保持不變，而不論它中間經過多少個中轉路由器。關於這一點，我們將在第4章進一步討論。
IPv4最后一個選項字段（option）是可變長的可選信息。這部分最多包含40字節，因為IP頭部最長是60字節（其中還包含前面討論的20字節的固定部分）。可用的IP選項包括：
記錄路由（record route），告訴數據報途經的所有路由器都將自己的IP地址填入IP頭部的選項部分，這樣我們就可以跟蹤數據報的傳遞路徑。
時間戳（timestamp），告訴每個路由器都將數據報被轉發的時間（或時間與IP地址對）填入IP頭部的選項部分，這樣就可以測量途經路由之間數據報傳輸的時間。
松散源路由選擇（loose source routing），指定一個路由器IP地址列表，數據報發送過程中必須經過其中所有的路由器。
嚴格源路由選擇（strict source routing），和松散源路由選擇類似，不過數據報只能經過被指定的路由器。
關於IP頭部選項字段更詳細的信息，請參考IP協議的標准文檔RFC 791。不過這些選項字段很少被使用，使用松散源路由選擇和嚴格源路由選擇選項的例子大概僅有traceroute程序。此外，作為記錄路由IP選項的替 代品，traceroute程序使用UDP報文和ICMP報文實現了更可靠的記錄路由功能，詳情請參考文檔RFC 1393。