Internet的网络层协议为IP（Internet Protocol）协议，IP协议的任务是提供尽力投递（Best-Efforts，即不提供任何保障）的服务将数据分组从源端传送到目的端。目前，IP协议主要包括IPv4（Internet Protocol Version 4）和IPv6（Internet Protocol Version 6）两个版本。
在IPv4协议中，每个分组均包含了一个头部和一个数据部分，其中，分组的头部总长为20～60字节，包括了一个20字节的定长部分和一个可选的变长部分（长度不超过40字节），如图4.1所示，其中：
图4.1 IPv4分组及其头部格式
◆ 版本（Version）域：长度为4比特，用于记录IP分组属于哪个版本的协议（例如：IPv4等）。
◆ 头部长度（Internet Header Length，IHL）域：长度为4比特，用于指明头部的长度。IHL的最小值为5（0101），最大值为15（1111），其长度单位为4字节，因此对应的头部长度范围为20～60字节，即头部最长为60字节（=15×4字节，有可选项时），最短为20字节（=5×4字节，没有可选项时），故变长的可选项部分最长为40字节。
◆ 服务类型（Type of Service）域：长度为8比特，用于定义IP分组的优先级与源主机关心的网络质量信息等。
◆ 分组总长度（Total Length）域：长度为16比特，用于记录IP分组中所有内容（头部+数据部分）的总长度，其最大长度为65 536字节（即0000000000000000～1111111111111111），因此，IP分组中数据部分的长度范围为65 476字节（去掉60字节头部）～65 516字节（去掉20字节头部）。
◆ 标识（Identification）域：长度为16比特，用于让目标主机确定一个新到达的分段属于哪个分组。属于同一个IP分组的所有分段均包含相同的Identification值。
◆ 标志（Flag）域：长度为3比特，用于标识分组是否包含了分段，其中，若包含了分段，则除了最后1个分段之外，分组的所有分段必须为8字节的整数倍，即必须采用8字节作为基本分段单位。
◆ 分段偏移量（Fragment offset）域：长度为13比特，表示一个分组最多可分为8 192（即0000000000000～1111111111111）个分段。
◆ 生存时间（Time to Live）域：长度为8比特，时间计量单位为秒，因此，每个分组的最大生存时间为255（即11111111）s。
◆ 协议（Protocol）域：长度为8比特，用于指明该分组应递交给传输层的哪个协议（进程）处理。
◆ 头部校验和（Header Checksum）域：长度为16比特，用于校验分组头部的正确性。
◆ 源IP地址（Source Address）域：长度为32比特，用于记录源主机的IP地址。
◆ 目的IP地址（Destination Address）域：长度为32比特，用于记录目标主机的IP地址。
◆ 可选项（Options）域：长度为0～40字节，用于附加信息的增补。例如：分组的安全信息以及分组路由过程必须遵循的完整路径信息等。
IPv6是由国际标准化组织Internet工程任务组IETF（Internet Engineering Task Force）设计的用来替代现行的IPv4协议的一种新的IP协议，也被称作下一代互联网协议。在IPv6协议中，每个分组也均包含了一个头部和一个数据部分，其中，分组的头部总长为40字节，去掉了IPv4分组中的可选的变长部分，如图4.2所示，其中：
◆ 版本（Version）域：长度为4比特，用于记录IP分组属于哪个版本的协议（例如：IPv6等）。
◆ 服务类型（Traffic Class）域：长度为8比特，用于指示IPv6数据流通信类别或优先级，其功能类似于IPv4的服务类型域。
◆ 流标记（Flow Label）域：长度为20比特，用于标记需要IPv6路由器特殊处理的数据流。该字段用于某些对连接的服务质量有特殊要求的通信，例如音频或视频等实时数据传输情形。在IPv6中，同一源端和目的端之间可以有多种不同的数据流，彼此之间以非“0”流标记区分，如果不要求路由器做特殊处理，则该字段值置为“0”。
◆ 负载长度（Payload Length）域：长度为16比特，最多可表示65 535字节负载长度。超过这一字节数的负载，则应将该字段值置为“0”，并同时使用扩展头逐个跳段（Hop-by-Hop）选项中的巨量负载（Jumbo Payload）选项，其中，Jumbo Payload选项用于传送超大分组（负载长度超过65 535字节的IPv6分组称为超大分组，使用Jumbo Payload选项，分组有效载荷长度最大可达4 294 967 295字节）。
◆ 下一分组头（Next Header）域：长度为8比特，识别紧跟IPv6头后的分组头类型，例如：扩展头（有的话）或某个传输层协议头（诸如TCP，UDP或ICMPv6等）。
◆ 跳步限制（Hop Limit）域：长度为8比特，其功能类似于IPv4的生存时间域，使用分组在路由器之间的转发次数来限定分组的生存时间，分组每经过一次转发，则该域中的值减1，减到0时就把这个分组丢弃。
◆ 源地址（Source Address）域：长度为128比特，用于记录源端的IP地址。
◆ 目标地址（Destination Address）：长度为128比特，用于记录目的端的IP地址。如果存在路由扩展头，目标地址可能是源端路由表中下一个路由器的接口地址。
图4.2 IPv6分组及其头部格式
通常，一个典型的IPv6包是不包含扩展头的，仅当需要路由器或目的节点做某些特殊处理时，才由发送方添加一个或多个扩展头。与IPv4不同，IPv6扩展头长度任意，不受40字节限制，以便于日后扩充新增选项。不过，为了提高处理选项头和传输层协议的性能，扩展头总是8字节长度的整数倍。目前，RFC 2460中定义了以下6个IPv6扩展头：Hop-by-Hop（逐个跳段）选项分组头、目的地选项分组头、路由分组头、分段分组头、认证分组头以及ESP （Encapsulating Security Payload，封装安全载荷）协议分组头。
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