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基本概念
在正式谈IP协议之前，我们先明确以下几个概念：
主机：配有IP地址，也要进行路由控制的设备。
路由器：即配有IP地址，又能进行路由控制。
节点：主机和路由器的统称。
一般在网络中，习惯将两端叫主机，路上叫节点。如下所示：
数据从一台主机到另外一台主机，要经过多个节点，而相邻的节点要在同一个子网中才能进行转发，中间要经过无数个子网转发。因此，广域网的通信，实际上是由无数个子网转发来实现跨网络的通信。
目的IP是具有指向性的，主机是根据报文中的目的IP，进行路由选择的。IP地址是有固定构成的，IP地址=目标网络+目标主机。IP给协议组提供了一种能力，可以将数据包从主机A跨网络，经过路径选择，路由转发，送到主机B的能力。
协议头格式
IP协议报头如下图所示：
4未首部长度和TCP一样，代表报头的长度，范围为20-60个字节；16位总长度代表IP的总长度，通过这两个就可以实现IP报头和有效载荷的分离。8位协议记录了数据部分为UDP还是TCP。
4位版本号为指定IP协议的版本，对于IPv4来说，就是4。
8位服务类型（TOS），3位代表优先字段（已弃用），4为TOS字段和1位保留字段（设置为0），4位TOS分别表示：最小延时、最大吞吐量、最高可靠性和最小成本，这四种相互冲突，只能选择一个。
16位头部校验用于鉴别头部是否损坏。
8为生存时间TTL表示数据报到达目的地的最大报文跳数，一般是64，每经过一个路由，TTL-=1，如果一直减到0还没有到达，那么该报文就被丢弃了，这个字段主要是用来防止出现路由循环。
网段划分
IP地址分为两个部分，分别为网络号和主机号，网络号用来保证相互连接的两个网段具有不同的标识；主机号用来保证同一段内，主机之间具有相同的网络号，但是必须有不同的主机号。如下所示：
不同的子网，其实就是将网络号相同的主机放到一起，如果在子网中新增一台主机，则这个主机的网络号和这个子网的网络号一致，但是主机号必须不能和子网中的其它主机重复。通过合理设置主机号和网络号，就可以保证在相互连接的网络中，每台主机的IP地址都不相同。
将报文交给目标主机的本质是一个查找工作，查找的本质是淘汰，进行网段划分的目的，是为了支持在查找目标网络的过程中，快速淘汰，大大提高查找目标主机的效率。
那么网段如何划分呢？过去提出一种划分网络号和主机号的方案，把所有IP地址分为五类，如下图所示：
各网络的地址范围如下：
A类：0.0.0.0-127.255.255.255
B类：128.0.0.0-191.255.255.255
C类：192.0.0.0-223.255.255.255
D类：224.0.0.0-239.255.255.255
E类：240.0.0.0-247.255.255.255
这里的划分，不是划分IP地址，而是划分网段，一旦得到一个A类地址，相当于得到了个地址。
但这种分类方式也会存在缺陷，比如申请到了A类网络地址，但是网络中的主机数远远达不到那么多，那么就会造成网络资源的浪费。
为了解决这种问题，提出了一种新的方案CIDR(无类别域间路由)。它的主要思想如下：
引入一个额外的子网掩码（subnet mask）来区分网络号和主机号。
子网掩码也是一个32位的正整数，通常用一串"0"来结尾，子网掩码会被设置到路由器中。
将IP地址和子网掩码进行"按位与"操作，得到的结果就是网络号。
网络号和主机号的划分与这个IP地址就是A类、B类还是C类无关。
以下为一个例子：
IP地址： 140.252.20.68 -> 10001100 11111100 00010100 01000100
子网掩码： 255.255.255.0 -> 111111111 11111111 111111111 00000000
---------------------------------------------------------------- 按位与
网络号： 140.252.20.0 <- 10001100 11111100 00010100 00000000
子网地址范围：140.252.20.0 - 140.252.20.252
一般主机号为0代表网络地址，不能分配给某一台主机，主机号为全1代表广播地址，也不能分配给某一台主机。
IP和子网掩码还有一种更简洁的表示方法，例如上面IP地址为140.252.20.68,子网掩码为255.255.255.0，可以表示为140.252.20.68/24,24表示子网掩码中1的位数。
特殊的IP地址
将IP地址中的主机地址全部设为0，就成了网络号，代表这个局域网。
将IP地址中的主机地址全部设为1，就成了广播地址，用于给同一个链路中相互连接的所有主机发送数据包。
127.*的IP地址用于本机回环（loop back）测试，通常是127.0.0.1。
私有IP地址和公网IP地址
如果一个组织内部组件局域网，IP地址只用于局域网内的通信，而不直接连到Internet上，理论上，使用任意的IP地址都可以，但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址，如下所示：
10.*，前8位是网络号，共16,777,216个地址
172.16.* 到172.31.*，前12位是网络号，共1,048,576个地址
192.168.*，前16位是网络号，共65,536个地址
包含以上范围内的，都为私有IP，其余的则称为全局IP(或公网IP)。
一个路由器可以配置两个IP地址，一个是WAN口IP，一个是LAN口IP(子网IP)如下所示：
路由器LAN口连接的主机，都从属于当前这个路由器的子网中，不同的路由器，子网IP其实都是一样的，通常都是192.168.1.1，子网内的主机IP地址不能重复，但是子网之间的IP地址就可以重复了，也就是私有IP地址是可以重复的，由于这个原因，IP地址不足的问题也被大大缓解了。
当数据从内网到公网的过程中，途径路由都会将源地址替换为自己的WAN口IP，到达公网后就不做替换了，这样做的目的是为了方便后续做回复。这种从内网到公网中进行源IP地址替换的技术，称为NAT技术。
所有用户，都不可能直接连接公司，都是通过先连接到局域网中，再通过局域网入的。
路由
在报文从源主机到目的主机转发的过程，需要经过很多路由，路由的过程，是一跳一跳"问路"的过程，所谓"一跳"，就是数据链路层中的某一个区间，具体在以太网中指从源MAC地址到目的MAC地址之间的帧传输区间，如下图所示：
子网掩码是设置在路由器内部的，子网划分是通过路由器完成的。
IP的分片与组装
在网络层，还有一个重要的部分，就是要对来自传输层的报文进行分片与组装。这里以分片为例子。
接收方在收到大量报文的时候，首先要识别出来报文是否被分片了，若报文被分片了，就要保证将分片聚合在一起，这里就涉及到哪里是开头，哪里是结尾、丢片问题以及组装过程，这些问题就和IP协议中的16位标识、3位标志和13位片偏移有关。
IP分片之后的每一个分片也会带报头，16位标识代表唯一的标识主机发送的报文，如果IP报文被分片了，那么每一个片里面的这个id都是相同的。
3位标志，第一位保留暂时不用，第二位为1表示禁止分片，这时候如果报文长度超过最大长度，IP模块就会丢弃该报文，第三位表示"更多分片"，如果分片了的话，最后一个分片位置为0，其它是1，类似于一个结束标记。
13位片偏移代表分片相对于原始IP报文开始处的偏移，其实就是在表示当前分片在原报文中处在哪个位置，实际偏移的字节数是这个值乘以8得到的，这样设置的目的是为了解决13位片偏移无法保存16位总长度的问题，写入时为实际片偏移大小除以8，片偏移表示本片数据在它所属的原始数据报数据区中的偏移量。
若报文没被分片，更多分片为0并且片偏移也为0；当更多分片不为0或者片偏移不为0时，那么该报文一定被分片了。
如果被分片了，组装过程首先先通过16位表示将分片聚合在一起，开头的片偏移为0，结尾的更多分片为0，通过这两个就可以将头和尾找到，中间部分的片偏移计算公式如下：
当前分片偏移 + 自己的长度 = 下一片的片偏移
通过以上公式，将所有的分片收到后，然后进行升序排序即可，如果整个过程顺利做完了就说明没有出现丢包问题，就完成了组装过程。