TCP/IP第三层协议IP
IP地址
IP地址使用的是点分十进制的方法，地址被.分割成了4个部分，每个部分8bit，整个IP地址32位。
CIDR(无类型域间路由 Classless Inter-Domain Routing)
使用 / 将IP地址一分为二，前面部分为网络号，后面部分为主机号
当拥有相同的网络地址，且主机号部分全为二进制1时,，该地址就成了该网段的广播地址
当网络号全为二进制1，且主机号为0时，则是该网段的子网掩码
IP协议
IP是TCP/IP协议中最为核心的协议，TCP(Transmission Control Protocol 传输控制协议)、UDP(User Datagram Protocol 用户数据报协议)、ICMP(Internet Control Message Protocol 互联网控制报文协议)、IGMP(Internet Group Management Protocol 互联网组管理协议)数据都以IP数据报格式传输
IP提供不可靠的、无连接数据报传送服务：
- 不可靠是指IP协议不能保证IP数据报一定能成功到达目的地，但当报文在传输中出现错误不能到底目的地址时，会产生一个ICMP报文向源主机传达出错报告控制信息。如果想要可靠性，需要上层协议来提供。
- 无连接IP协议不会维护任何关于后续数据报的状态信息。且每个数据报是相互独立的。因为每个数据报可以独立的进行路由选择的原因，IP数据报不一定会被按照发送的顺序接收
协议格式
IP首部固定是20字节，选项部分最长不超过40字节，每个部分依次是：
- 4位版本：4为IPV4.
- 4位首部长度：首部长度指的是首部占32bit字的数目，包括任何选项。它是一个4比特字段，当4个比特全为1时，即1111(十进制为15)时，首部长度可达最长的60个字节。
- 服务类型（TOS）：服务类型字段包括一个3bit的优先权字段（现在已经被忽略），4bit的TOS子字段和1bit未用位必须置0。4bit的TOS分别代表：最小时延，最大吞吐量，最高可靠性和最小费用。4bit中只能置其中1比特。如果所有4bit均为0，那么就意味着是一般服务。
- 总长度：总长度字段是指整个IP数据报(包含首部与数据)的长度，以字节为单位。利用首部长度和总长度字段，就可以知道IP数据报中数据内容的起始位置和长度。由于该字段长16bit，所以IP数据报最长可达65535字节。当数据报被分片时，该字段的值也随着变化。
- 16位标识位：标识字段唯一地标识主机发送的每一份IP数据报。通常每发送一份报文它的值就会加1。当IP数据报被分片时，依靠此字段识别每一份属于哪个数据报，用户组装IP数据报。
- 3位标志位：仅有后两位有用， 标志字段中间的一位是 DF (Don't Fragment) 只有当 DF = 0 时才允许分片，最后一位是MF (More Fragment)，MF为1表示后面“还有分片”，MF为 0表示这是最后一个分片。
- 13位片偏移：用来指定被分片在原IP数据报相对用户数据起点的位置，片偏移以8个字节为偏移单位。除了最后一个分片，每个分片(除IP首部之外的用户数据部分)的长度一定是8字节（64位）的整数倍
- 生存时间：T T L（time-to-live）生存时间字段设置了数据报可以经过的最多路由器数。它指定了数据报的生存时间。T T L的初始值由源主机设置（通常为 3 2或6 4），一旦经过一个处理它的路由器，它的值就减去 1。当该字段的值为 0时，数据报就被丢弃，并发送 I C M P报文通知源主机。
- 8位协议位：用于指明上层协议
| ICMP | 1 |
| TCP | 6 |
| UDP | 17 |
| GRE | 47 |
| ESP | 50 |
| AH | 51 |
- 首部检验和：首部检验和字段是根据 I P首部计算的检验和码。它不对首部后面的数据进行计算。 I C M P、
I G M P、U D P和T C P在它们各自的首部中均含有同时覆盖首部和数据检验和码。 - 源IP地址
- 目标IP地址
- 数据
IP分片
IP数据报在传输时，当它的大小大于了MTU时，会被分片，分片的过程可能发生在原始的发送端主机上，也可能发生在中间路由器上。而且当遇到有着更小MTU的中间路由器时，已经被分片的数据报还可能会被再次分片。
被分片的数据报只有到了接收端时，才能被接收端的IP层进行组装处理，并且这一组装的过程对上层的TCP或UDP来说时透明的，也就是说，TCP与UDP根本不知道IP数据报存在分片与组装的过程。
重组的依据
| 16位标识 | CU | DF | MF | 13位片偏移 |
- 标识：发送端发送的每一个IP数据报都拥有一个唯一的16位标识，当发生分片时，这个唯一的标识被复制到该数据报的每个分片中，此标识符可以在组装数据时确定收到的分片属于哪个IP数据报。
- 标志：在3位标志位中，CU位没有被使用。DF位为1时将不会对数据报分片，当数据报大于MTU大小时，将产生一个"需要进行分片但设置了部分片"的ICMP报文传回给发送端。MF位表示分片是否到了最后一片，除最后一片分片外，所有分片的MF位都被置为了1，最后一个分片被置为了0，在组装时可以通过这个字段知道分片是否是最后一个分片。
- 片偏移：13位的片偏移表明该分片相对于原始数据报起始处的位置，通过这个可以知道分片在原数据报中的位置，以在组装时能正确的组装。
分片与重组
当IP数据报被分片后，每一片分片都成为一个分组(分组的概念:在IP层和链路层间传送的数据单元，一个分组可以是完整的IP数据报，也可以是IP数据报的一个分片)，每片都有自己的首部，可以独立选择路由，所以当分组到达目标主机后可能会失序。依靠每个分组中的IP首部可以组装IP数据报。
如图，每个组片都有自己的IP首部，由于MTU最小长度的限制，最后一片不满46的分组还会存在PAD(填充)。图中的第二片存在46 - 20 - 1 = 25字节
虽然IP在每个分组都有IP首部，但是由于上层协议(TCP/UDP)的目标端口与源端口都在首部开始的4字节内，因此当出现分片时，端口号仅仅出现在第一个分组中。(图中就说明了这种情况)
注意事项
- 虽然IP层的分片是透明的，但是由于IP协议不提供可靠的服务，当出现分片丢包时，IP不会重传分片，接收端也就没法组装成一个完整的IP数据报。必须要重装整个原数据报才可以。
- 当上层有重传机制的TCP协议协议通过IP数据报文通信，并且发生分片且分片丢失时，由于分片对传输层的透明性，也只能重传整个TCP的数据包。
在数据传输的过程中，每个IP数据报中的源IP地址与目标IP地址会保持不变(除非有NAT存在)，而MAC在每一跳中都会改变，源MAC为出口物理地址，目标MAC为路由下一跳的物理地址。
相关知识
典型的三层设备是路由器
