一、概述

1、互聯網協議（IP）的基本概念

互聯網協議（IP，Internet Protocol）是互聯網（Internet）上一個最基本的協議，互聯網本身是一個分組交換的計算機通信網絡，因此，IP是為在分組交換計算機通信網絡的互連系統中使用而設計的。該協議在互聯網環境中被主機對主機協議調用，它處于互聯網的網絡層。該協議調用本地網絡協議將互聯網數據報傳送到下一個網關或目的主機。互聯網協議提供了從源到目的地的數據傳輸塊，稱為報文（datagram）或稱數據報，其中源和目的地是由固定長度地址標識的主機。

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互聯網協議（IP）的范圍特別有限，無法提供必要的功能，以便通過相互連接的網絡系統將比特包（互聯網數據報）從一個源發送到一個目的地。沒有機制來增強端到端數據可靠性、流控制、排序或主機到主機協議中常見的其它服務。因此，IP是需要利用其它支持網絡服務的協議來提供各種類型和質量的服務的。

2、TCP/IP及IP與其它協議的關系

事實上，用于計算機間通信的互聯網協議由3個層次構成：網絡、傳輸和應用程序，如下圖1-2所示。網絡協議協調信息傳輸；傳輸協議負責數據的完整性；應用程序協議格式化數據以便于傳輸。互聯網中用于將信息從一臺計算機送到另一臺計算機的協議稱為IP。IP協議中的信息以分組的形式傳輸。互聯網中有兩個用來協調網絡傳輸正確性的協議，即：傳輸控制協議（TCP）和用戶數據報協議（UDP）。傳輸協議判斷分組是否到達了目的地，如果已到達，協議將分組按正確順序排放。互聯網中有許多應用程序，而每一個都有它自己的應用程序協議，如遠程登錄協議（Telnet）、文件傳輸協議（FTP）、簡單文件傳送協議（TFTP）等等。

圖 1-2：互聯網協議（IP）與其它協議的關系

在互聯網中，TCP和IP協議習慣上放在一起統稱為TCP/IP協議。TCP/IP協議是支持互聯網的基本通信協議，是計算機和相關設備組成網絡的許多協議中的兩個。TCP負責數據的流量控制，并保證傳輸的正確性；IP負責將數據從一處傳往另一處。TCP/IP協議具有廣泛的兼容性和可伸縮性，可連接不同的計算機網絡協議和不同的網絡設備。

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另外，由圖1-2可知，互聯網協議接口的一側是高級的主機對主機協議，另一側是本地網絡協議。在這種情況下，“本地網絡（local network）”可以是建筑物中的小型網絡（如局域網LAN），也可以是像ARPANET這樣的大型網絡。

3、IP的基本功能

互聯網協議（IP）實現了兩個基本功能，即：尋址和分段。互聯網模塊（如主機、路由器、網關等）使用互聯網報頭（header）中攜帶的地址將互聯網數據報傳輸到它們的目的地。傳輸路徑的選擇稱為路由。當需要通過“小包”網絡傳輸時，互聯網模塊使用互聯網報頭中的字段對互聯網數據報進行分段和重組。

其運作模式是，互聯網模塊駐留有參與互聯網通信的相關程序，這些模塊共享解釋地址字段和分割及組裝互聯網數據報的通用規則。此外，這些模塊（特別是在網關中）具有制定路由決策和其他功能的過程。

4、IP的服務機制

互聯網協議（IP）使用四種關鍵機制來提供服務，即：服務類型、生存時間、可選項和報頭校驗和。事實上這些都是IP報頭中字段；種四種服務機制的釋義詳見下表1-4的描述。

表 1-4：互聯網協議（IP）使用的四種關鍵服務機制

由表可知，互聯網協議（IP）不提供可靠的通信服務；沒有端到端或逐跳的確認；對數據沒有錯誤控制，只有報頭校驗和；沒有重傳；沒有流量控制。檢測到的錯誤可以通過因特網控制消息協議（ICMP）報告，ICMP是在互聯網協議模塊中實現的。

二、互聯網協議（IP）的規范

1、IP的報文格式

互聯網協議（IP）提供了從源到目的地的數據塊的傳輸，該數據塊稱為互聯網報文（internet datagram）。即互聯網報文在一對網絡模塊之間交換的數據單位（包括互聯網報頭）。因此，互聯網報文是由報頭和所要傳輸的數據構成。報頭（header）是指消息、段、報文、數據包或數據塊開頭的控制信息。互聯網報文的報頭（header of internet datagram）格式如下圖2-1所示。

圖 2-1：互聯網報文的報頭（header）格式

圖中，報頭（header）是用二進制比特表示（圖中每個刻度表示一個比特的位置），4個字節（32比特）構成一個單元，每單元由一個或多個字段（field）構成，共有13個字段構成。其中，前12個字段為固定長度字段，即每字段的長度（比特位）不同，但各字段的長度是固定的，共占用20個字節。最后一個稱為“可選項（Optional）”字段，其字段是可變長度的。

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2、IP用戶接口

IP用戶接口的功能描述充其量是虛構的，因為每個操作系統都有不同的功能。因此，必須提醒的是，不同的IP實現可能有不同的用戶接口。但是，所有IP必須提供一定的最小服務集，以保證所有IP實現都能支持相同的協議層次結構。

互聯網協議接口（Interfaces）的一端與本地網絡相連，另一端與更高級別的協議或應用程序相連（見圖1-2）。協議中，高層協議或應用程序（甚至網關程序）將被稱為“用戶”，因為它使用互聯網模塊。由于互聯網協議是一種數據報協議，因此在數據報傳輸之間只需要維持最小的內存或狀態，并且用戶對互聯網協議模塊的每次調用都提供IP執行所請求的服務所需的所有信息。

三、互聯網協議（IP）的版本

目前，互聯網協議（IP）的版本有兩個版本，即第4版本的IPv4和第6版本的IPv6。

1、IPv4

事實是，上述介紹的互聯網協議（IP）的內容就是第4版本IPv4的內容。它是由互聯網工程任務組（IETF）在1981年9月發布的RFC 791《Internet Protocol》所規范。RFC 791是IETF發布第一個正式的互聯網標準（早期的RFC文檔則稱為“國防部標準-互聯網協議”）。依據當時的RFC 1700《Assigned Numbers（號碼分配）》標準的規定，將互聯網協議（IP）的版本號命名為4，因此在IP報文頭中的第1個字段“版本字段（version）”之值規定為“4”，于是RFC 791便被稱為IPv4版本。若要詳細了解RFC 791標準全部內容的請查閱下附件。

附件：RFC 791《Internet Protocol》

2、IPv6

對于IPv4，當初已經把其IP地址設計成32比特，地址總數為2³²，約達43億個。然而，互聯網在全球突飛猛進的發展與應用，使設計者大出所料。其IP地址空間的匱乏成為了嚴重制約互聯網發展應用的致命因素，新版本的互聯網協議的研制勢在必行，且迫在眉睫。當然IPv4也存在著其它一些不利因素。于是，于1998年12月，IETF發布了RFC 2460《Internet Protocol, Version 6（IPv6）Specification》，將IP地址由原來的IPv4時的32位直接擴容到128位，地址字段（包括源地址和目的地址））長度擴了4倍；地址空間擴了1024倍。此時，IP地址空間為2¹²⁸個，約達3.4×10³⁸個。如此容量的IP地址應該不再會影響互聯網技術的發展了。

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依據原RFC 1700的規定，已將協議類的版本號“6”分配給了“簡單互聯網協議（Simple Internet Protocol）”，但互聯網號碼分配機構（IANA）最終決定將版本號“6”分配給了新版的互聯網協議（IP）。于是，在RFC 2460規定的分組頭中的第1個字段“版本字段（version）”之值取值為“6”。這即為新版IP被稱為第6版本IP的來歷，簡稱IPv6。

需要指出的是：新版互聯網協議（IPv6）它不僅是擁有巨大地址空間，同時，IPv6還具有更簡單、更方便、更可擴展、更安全的特征，這些特有的特征，可以高效支撐移動互聯網、物聯網、云計算、大數據和人工智能等領域的快速發展。這是因為，IPv6將其分組頭（即IPv4時所稱的報文頭）進行了進一步的優化簡化，即將IPv4時固定長度的字段由12個減少到8個，并將不常用字段改為選項，稱為擴展分組頭，其字段數及長度是任意的，理論上可以任意擴展字段，具備優異的靈活性和巨大的創新空間。

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當IPv6互聯網從1999年1月開始部署，導致目前互聯網的兩個版本網絡共存且互通，唯有待現存的IPv4網絡及設備的自然淘汰。

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