TCP/IP协议簇
IP协议是TCP/IP协议簇中的核心协议，它的主要作用是对网络中传输的数据进行统一封装，提供数据传输地址，以及隔离软件和硬件。
用IP协议封装的报文称为IP数据报。大部分数据都需要封装成IP数据报再进行传输。
IP协议
IP数据报的首部包括固定部分和可选部分，固定部分长度20字节，可选部分长度0~40字节。所以IP数据报首部的长度在20~60字节。
- 版本：占4位，指定IP协议的版本。值为4时，表示IPv4数据报。
- 报头长度：占4位，指示首部长度。单位为4字节，取值范围为5~15，即首部长度为20~60字节。
- 服务类型：占8位，为数据报添加的一个标志，通常用于指示数据报转发时的优先级。
- 总长度：占16位，指示IP数据报总长度（含首部和数据部分）。一个IP数据报的最大长度为65535字节(64KB)。
- 标识、标志、片偏移：在数据报分片和重组时使用。
- 生存时间（TTL）：占8位，取值0~255。数据报每经过一次路由其TTL值就减1，当TTL减为0时就丢弃这个数据报。
- 协议：占8位，指示携带的数据所使用的协议。比如：数据是TCP数据报时为6，是UDP数据报时为17，是ICMP数据报时为1。
- 首部校验和：占16位，用于检验数据报在传输中报头是否出错。
- 源地址、目的地址：各占32位，指示源和目的的IP地址。
- 可选字段：0~40字节，保存一些额外参数，比如时间戳等。
- 填充：首部长度必须为4的整数倍，如果不是用填充来补足。
例：一个在ping操作时抓取的IP数据报，内部封装的是ICMP数据报。
IP地址和MAC地址的区别
- IP地址是逻辑地址，需要在设备上进行配置；MAC地址是物理地址，是设备出厂时自带的。
- IP地址是网络层地址，带有网络信息，可以跨网络；MAC地址是数据链路层地址，没有网络信息，只能在一个网络内部使用。
- 在IP数据报中封装的是IP地址，可指定世界上任何一台设备的地址；MAC地址封装在帧中，只能指定本网络中的设备。
- 能够处理IP数据报的设备是网络层设备，它们可以跨网络传输数据；只能处理帧的设备是数据链路层设备，它们不能向其它网络传输数据。
IP数据报的分片与重组（选读）
IP数据报还需要封装成帧才能在网络中传输，当IP数据报的长度超过帧容量时，需分片传输。
MTU
MTU称为最大传输单元，是指一帧允许携带的最大数据量，以字节为单位。
MTU值和网络有关，以太网的MTU值是1500，无线网络的MTU值是1492，蓝牙的MTU值是672。
路径MTU是指在整个传输路径中最小的MTU值。当数据报通过一个MTU值较小的段时，要求结点具有分片功能。
IP数据报的分片与重组
当IP数据报的长度超过它所在网络的MTU值时，需要把IP数据报分片传输，到达目的主机时再把各分片重组为原来的IP数据报。
分片的IP数据报在首部用标识、标志和片偏移字段：
- 标识：占16位。这是一个计数器，主机每发送一个数据报就把计数值增1，这个计数值就写在数据报的标识字段。如果数据报进行了分片，其所有分片的标识字段值是相同的。
- 标志：占3位。中间一位称为DF，为1时表示不允许分片。最后一位称为MF，为1时表示还有分片，为0时表示这是最后一个分片。
- 片偏移：占13位。表示本片数据在原数据报中的相对位置，以字节为单位。重组时把本分片中的数据放在该位置处。
例：一个IP数据报的长度为2000字节（含20字节的首部），而网络的MTU值为1500，则这个数据报需分成2片进行发送。
该数据报中的数据大小为1980字节，分片后，第1片数据大小为1480字节，第2片数据大小为500字节。
每片都要再添加20字节的首部，所以第1片长度为1500字节，第1片长度为520字节。
MTU值的查看与测试
使用命令：netsh interface ip show interfaces 可查看本机中各网络连接的MTU值。
Loopback是本机回环，它有一个很大的MTU值。所以本机内部传输IP数据报通常不用分片。
使用的连接不同，MTU值也会不一样。
由于到达目标主机可能会经过多个不同的网络，用 ping -f -l 长度 目标地址 可测试网络允许通过的数据报大小。
参数 -f 表示不允许对IP数据报分片（就是把标志中的DF设置为1）。
参数 -l 表示把指定大小的测试包发往目的主机（是字母l不是数字1）。
如果可以ping通，表示指定大小的数据报可以通过网络，如果ping不通，说明指定的大小超过了途经网络的MTU值。
指定的长度不包括报头，所以传输1500字节的数据时需进行分片。
传输1440字节的数据时不需分片。
考虑到IP数据报有20~60字节的报头，所以该网络的MTU值为1500。
分片会增加系统处理时间，影响访问速度。如果在传输过程中有一个分片出错，都需要重传整个IP数据报，浪费网络资源。所以在设计网络时需考虑这个问题。
ICMP协议
ICMP协议用于在网络设备间传递消息，包括网络通不通、网络是否可达、数据报出错等。
典型的应用就是 ping 命令，它会向目的主机发送几个ICMP请求报文，如果目的主机返回了ICMP响应报文，说明网络是连通的。
另外，如果数据报在传输过程中出错，转发节点会丢弃该数据报，并向源主机发送消息也是用ICMP协议发送的。
ICMP数据报
ICMP数据报需要封装在IP数据报中进行传输。
常见报文类型和代码
请求报文：类型 - 8，代码 - 0
响应报文：类型 - 0，代码 - 0
差错报告报文：
网络不可达：类型 - 3，代码 - 0
主机不可达：类型 - 3，代码 - 1
超时：类型 - 11，代码 - 0
ARP协议
ARP协议称为地址解析协议，用于根据IP地址查找目标主机的MAC地址。
IP数据报需要封装成帧才能在网络中传输，IP数据报中的地址是IP地址，而帧中的地址是MAC地址，所以在封装时需获取目的主机的MAC地址。
ARP表
当源主机第一次访问目的主机时，它首先向网络中广播一个ARP查询包。
目的主机收到后，向源主机发送一个ARP响应包，里面包含了本机的MAC地址。
源主机用这个MAC地址封装帧，同时把它记录在本机的ARP表中。
当源主机再次访问同一个目的主机时，会直接使用ARP表中的MAC地址。
在计算机上可以用 arp -a 查看本机的ARP表。
注：如果源主机和目的主机不在同一个网络中，则ARP查询到的是网关设备的MAC地址。
ARP表的配置
通过ARP协议获得的表项是有失效期的，过一段时间就会自动清除。
我们可以用手工方式向ARP表中添加项目，这种项目称为静态表项。
添加ARP表项：arp -s IP地址 MAC地址
删除ARP表项：arp -d IP地址
利用静态ARP表项可防范由ARP欺骗攻击导致的网络瘫痪问题。