概述
IP 协议也称为网际协议（Internet Protocol），它是 TCP/IP 协议栈中最核心的协议之一，负责将数据包发送给最终的目标计算机。正是 IP 协议支持了世界上任何两台计算机之间进行通信。
IP（IPv4，IPv6）对应于 OSI 参考模型中的第三层（网络层），用于实现终端节点之间的通信，也称为点对点通信。在之前的文章中，我们已经了解了，数据链路层能够支持在同一个数据链路中的节点之间互相通信，而一旦跨越了数据链路后，就需要通过网络层来实现数据的传输了。
IP 基础知识
IP 寻址
我们知道，在计算机通信中，为了能够正常识别通信目标，必须要有一个地址来进行标识。例如，对于数据链路层通信而言，MAC 地址就是通信过程中的标识地址。而在网络层中，通信的目标地址就是 IP 地址。因此，在 TCP/IP 通信过程中，所有的主机和路由器都必须配置自己的 IP 地址后才能正常通信。
路由控制
路由控制是指将分组数据发送到最终目标地址的逻辑，路由控制一旦异常，将会导致数据包在复杂的网络世界中迷路，从而无法到达目标地址。因此，数据包能否正常发送到最终的目标地址路由控制起到了关键的作用。
事实上，IP 数据包正是在网络中通过 Hop 的方式被不断进行转发从而最终达到目的地。每次 Hop 的过程其实是依次计算的下一个路由或主机的地址，而不是直接通过最终目标地址提前将全部通路都计算出来。具体来说，当 IP 包到达路由器时，路由器首先根据其目标地址计算下一步包应该发送给哪个路由器，然后将数据包直接发送过程；当数据包到达下一个路由器后，再依次进行相同的操作，直到最后达到目标主机。
为了让主机/路由器能够正常将数据包发送给对应的下一个目标，所有主机/路由器其实都维护了一个路由控制表，IP 包正式根据这个路由表对 IP 数据包进行转发的。
IP分包和组包
IP 协议是实现多个数据链路之间通信的协议，因此它一定需要对不同的数据链路进行统一抽象。然而，不同的数据链路中，它们支持的最大传输单位（MTU）不同，类似于我们邮寄快递是包裹大小的要求可能不一致。当 IP 层传输的数据大于对应数据链路的 MTU 时，数据就必须进行分片传输了。为了解决这个问题，IP 协议支持了分片处理，具体来说，就是将较大的 IP 包分为多个较小的 IP 包，等到数据包到达对端目标地址后，再被组合起来传递给上一层。这样一来，对应上层业务而言，就完全屏蔽了不同的数据链路MTU之间的差异。
我们以快递运输为例，那么就如下图所示：
面向无连接型传输
IP 协议是无连接类型的传输，具体来说，在发送数据包之前不需要建立对应目标地址之间的连接。那么，IP 协议为什么是面向无连接的呢？核心的目的就是简化和提速。
PS：由于无连接型传输的可靠性低，因此为了高可靠性，通常我们基于 TCP 协议来提供可靠的、面向有连接的数据传输。
IP 地址详解
在 TCP/IP 通信过程中，IP 地址用于识别主机和路由器。
IP地址的定义
IP地址（IPv4）由32位正整数表示，在计算机内部，IP 地址是以二进制方式进行处理等。而人类设备不习惯于二进制模式，因此就将32位的IP地址以每8位为一组，分成4组，每组以 . 隔开，再转化成十进制数。
示例如下：
在 IP 地址中，IP 地址本质上其实是由网络标识（网络地址）和主机标识（主机地址）两部分来组成。
如上图所示，在不同的网络链路中网络标识的配置也不同，即必须满足的是相互连接的每个段的地址不会重复，而同一个数据链路段中的网络标识配置一定相同，同时主机标识在同一个段不同。正是通过网络标识和主机标识的组合，IP 地址从而具备了唯一性。
PS：在路由器转发IP包的过程，仅需要根据网络标识即可判断出将IP包转发到对应的数据链路中。
知道了 IP 地址由网络标识和主机标识两部分组成之后，那么具备哪几位算是网络标识？哪几位算是主机标识呢？针对这点有两种不同的方式：
- IP 地址分类
- 子网掩码
IP 地址的分类
早期，人们将 IP 地址分为了四个类型：A 类、B 类、C 类和 D 类。
- A 类地址以 0 开头，第1位到第8位是它的网络标识，转化为十进制区间就是 0.0.0.0 ~ 127.0.0.0 是 A 类网络地址。A 类地址的后 24 位是主机标识，因此，一个网段内可容纳的主机地址上限为 16,777,214 个。
- B 类地址以 10 开头，第1位到第16位是它的网络标识，转化为十进制区间就是 128.0.0.1 ~ 191.255.0.0 是 B 类网络地址。B 类地址的后 16 位是主机标识，因此，一个网段内可容纳的主机地址上限为 65,534 个。
- C 类地址以 110 开头，第1位到第24位是它的网络标识，转化为十进制区间就是 192.168.0.0 ~ 239.255.255.0 是 C 类网络地址。C 类地址的后 8 位是主机标识，因此，一个网段内可容纳的主机地址上限为 254 个。
- D 类地址以 1110 开头，32 位全部都是它的网络标识，从 224.0.0.0 开始都是 D 类地址。它没有主机标识，主要用于多播的场景。
在 IP 地址中，主机地址全部是0或者全部是1时，它们具备一些特殊函数。全部是0时仅当IP地址不确定时使用，全部是1时表示它是广播地址。
广播与多播
在开始讲解子网掩码之前，我们先来看一下网络通信过程中的广播与多播相关概念。
在上文中，我们已经提到如果对于一个IP地址而言，其主机地址全部是1时，则表示该地址是一个广播地址。而广播又分为本地广播和直接广播两种。
- 本地广播是指在本网络内部的广播，该广播地址的 IP 包会被路由器屏蔽，不会发送给当前数据链路之外的其他链路上；
- 不同网络之间的广播则叫做直接广播，例如由 192.168.0.0/24 主机发送给 192.168.1.255/24 目标地址。此时，收到这个包的路由器将数据转发给 192.168.1.0/24，将会使得所有 192.168.1.1 - 192.168.1.254 的所有主机都能收到这个包。
了解了广播的概念后，我们再来看一下什么是 IP 多播吧。
多播可以用于将IP包发送给特定组内的所有主机，例如常用于视频会议等场景。相比广播而言，多播具有如下优势：
- 可以穿透路由器
- 避免无效数据发送
子网掩码
在 IP 地址分类的场景下，一个 IP 地址是要确定了其分类，也就确定了它的网络标识和主机标识。其中，针对一个 B 类IP地址而言，一个链路中允许有65000+台计算机。然而，实际的网络环境中，很少会在同一个网络链路上连接六万多台计算机，从而导致了大量的主机标识对应的IP地址被浪费。
为此，人们提出了一种新的 IP 地址标识方法 - 子网掩码。子网掩码是一种替代IP地址分类的方法。
子网掩码中，一个 IP 地址包含了两种识别码：
- IP 地址本身
- 网络标识部门的子网掩码，它本身也是一个32位的数字，其中网络位标识全部是1，主机位全部是0。其中，子网掩码必须是IP地址的首位开始连续的1。
这样一来，IP 地址就不需要按照分类来区分网络标识和主机标识，而是通过子网掩码部分来进行区分。
由于子网掩码部门针对的网络表示全部是1，因为，也可以直接简化为对应1的数量。
例如：172.20.100.52/26 则表示前26位都是网络标识，只有后6位是主机标识。
使用子网掩码的方式来代替IP地址的分类这一方案也称为 CIDR（无分类域间路由选择）方法。
在 CIDR 应用到互联网的初期，网络内部不同部门之间都是采用固定长度的子网掩码机制。然而，由于部门之间的大小存在差异，人们又提出了VLSM（可变长子网掩码）技术，从而能够实现在组织内部不同部门之间采用不同的子网掩码。
全局地址与私有地址
早期，互联网中的任何一台主机或者路由器都必须配有一个唯一的IP地址。然而，随着计算机和互联网的发展，IP 地址不足的问题日趋明显，很快会存在耗尽的问题。于是就出现了一种新的技术：它不要求为每台主机/路由器分配一个固定的IP地址，而是在必要的时候才为相应数量的设备分配唯一的IP地址。
那么什么是必要的时候？例如，如果一台计算机只需要连接一个独立网络，而不需要接入互联网时，我们只需要保证当前网络内IP地址唯一即可，不需要与互联网全局唯一。针对这种场景，人们提出了私有网络，并定义了一定的规范：
- A 类私有网络：10.0.0.0 - 10.255.255.255(10/8)
- B 类私有网络：172.16.0.0 - 172.31.255.255(172.16/12)
- C 类私有网络：192.168.0.0 - 192.168.255.255(192.168/16)
包含在这个 IP 范围内的 IP 地址都属于私有 IP，除此之外的 IP 地址均为全局 IP。
起初，私有 IP 没有连接互联网的需求，只用于独立网络。然而，随着一种能够互换私有IP和全局IP的NAT技术诞生之后，配置有私有IP的主机也能够通过配置有全局IP的主机实现互联网的通信。目前，大部分学校、家庭、公司都是为每个终端分配一个私有IP，而在路由器上配置一个全局IP，从而通过NAT实现互联网访问。
既然提到了全局 IP 地址的唯一性和稀缺性，那么全局 IP 地址究竟是由谁来管理呢？世界范围内，全局 IP 由 ICANN 机构进行管理，而在每个国家中，可能又会存在一些代理机构进行国家内部的统一管理。
早期的互联网用户可能需要直接向 IP 管理机构申请全局 IP，而目前，我们只需要向通信运营商（联调、移动等公司）申请开通服务后，它们会帮助我们申请对应的 IP。
路由控制详解
IP分包与组包详解
IPv6
IP 包首部
IP 协议相关技术
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