IPv4协议是IP协议的第4个版本，IPv4为传输层提供Host-To-Host，同时IPv4需要底层的数据链路层的支持。
IP协议不负责数据的可靠性，传输数据时，数据被切分为一个个数据封包，IP协议上层的传输层协议会对数据进行一层拆分，然后再IP协议会在一次拆分，两次拆分是为了适合底层的设备。
数据在网络中传输，不需要建立连接，任由数据在网络中传输，每个节点由路由算法来控制数据选择下一个目的地。IP协议自身不能保证可靠性。
例如IP协议可能会遇到以下问题：
封包损坏（数据传输过程中被损坏）
丢包（数据发送过程中丢失）
重发（数据被重发，比如中间设备通过2个路径传递数据）
乱序（达到目的地时数据和发送数据不一致）
对于网络层主要解决这个层面的问题，主要包括：
延迟
吞吐量
丢包率
并且这三个问题，一般是不能同时满足的。
IP协议的工作原理，IP协议接收IP协议上方的Host-To-Host协议传来的数据，然后进行拆分，这个过程叫做分片。然后IP协议为每个片段增加一个IP头（Header），组成一个IP封包，之后，IP协议调用底层的局域网（数据链路层）传输数据。最后IP协议通过寻址和路由把封包送达到目的地。
分片，是把数据切分成片，IP协议通过它下层的链路层传输数据，因此需要适配底层的传输网络的传输能力。数据太大不适合底层的网络传输，就需要把数据进行切片。有的时候也有可能不分片，当数据链路层看到不分片的封包，又没有能力传输的时候，就会丢弃这个封包。
增加协议头
切片完成后，IP协议会对每个切片增加一个协议头，协议头的格式如下：
在这里插入图片描述其中重要的部分是，原地址和目标地址，IPv4的地址是4组8位的数字，总共32位。
Type Of Service 服务的类型，是为了响应不同的用户诉求，用来选择延迟、吞吐量和丢包率之间的关系。
IHL（Internet Header Length）用来描述IP协议头的大小。所以IP协议头的大小是可变的。
Total Length定义报文的长度。
Identification（报文ID），发送方分配，代表顺序。
Fragment offset描述要不要分包（拆分），以及如何拆分。
Time To Live 描述封包存活的时间，因此每个IP封包发送出去后，就开始销毁倒计时。
Protocol描述上层的协议
Options代表可选项
Checksum用来检验封包的正确性。
对于Type Of Service 字段，这个字段是选择延迟、吞吐量、丢包率三者之间的选择。
延迟
延迟指的是1bit的数据从网络的一个终端传送到另一个终端需要的时间，这个时间包括在发送端准备发送的时间、排队发送的时间、发送数据的时间、数据传输的时间。
吞吐量
吞吐量是指单位时间内可以传输的平均数据量。比如用bit/s作为单位，就是bps。吞吐量和延迟没有联系。延迟高，但是吞吐量有可能高。
丢包率
丢包率指发送出去的封包没有达到目的地的比例。在最大流速确定的网络中，丢包率影响吞吐量。
寻址就是根据IP地质查找设备。因为IPv4的网络是一个树状模型，顶层有多个平行的网络，每个网络有自己的网络号。然后顶层网络下方又有多个子网，子网下方还有子网，最后是设备。IP协议寻址过程就是逐级找到网络，最后定位设备。详细寻址情况如下：
步骤1、找到顶层网络
比如103.16.3.1最顶层的网络可以和255.0.0.0（子网掩码）做位与运算
代码语言：java复制103.16.3.1&255.0.0.0 =103.0.0.0因此103.0.0.0就是103.16.3.1所在的顶层网络，255.0.0.0叫做子网掩码。子网掩码的作用就是帮助根据IP地址找到对应的子网，
步骤2：找二级的网络
找下一层的网络，就是需要要IP地址和下一级的子网掩码进行位与运算。
代码语言：java复制103.16.3.1&255.255.0.0 =103.16.0.0其中103.16.0.0就是下一级的网络号。
步骤3,：找三级的网络
找三级的网络，就是需要把IP地址和三级的子网掩码进行位与运算。
代码语言：java复制103.16.3.1&255.255.255.0=103.16.3.0步骤4：定位设备
设备在子网103.16.3.0中，最终找到的设备是1。
子网掩码也不一定是255，子网掩码也可以是255.244.0.0。IPv4的网络是分成这样的4层。
路由
在寻址过程中，数据总是存在于某一个局域网内，如果目的地在局域网中，就可以直接定位到设备，如果目的地不在局域网中，这个时候，就需要去其他网络寻找。
由于网络和网络之间是网关在连接，因此如果目的地的IP不在局域网中，就需要为IP封包选择下一个网络的途径。其实就是选择其中的一个网关。
假设，需要为IP地址14.215.177.38进行寻址，当前路由所在的网络号是16.0.0.0。那么我们就需要知道去往14.0.0.0网络的Gateway IP地址。在当前网络中用route查看路由表
Destination：14.0.0.0
Gateway：16.12.1.100
Mask：255.0.0.0
Iface：16.12.1.1
如果要去14.0.0.0网络，IP地址14.215.177.38先要和255.0.0.0进行位运算，然后再查路由表，可知目标是14.0.0.0，得知去往Gateway的网卡（IFace）是16.12.1.1。
当封包去向下一个节点后，会进入新的路由节点，然后会继续路由，直到定位到设备。
总结，首先IP协议会进行分片，将上游数据拆成一个个的封包（Datagram），然后为封包增加IP头。封包发送出去后，就开始寻址。寻址的过程就是找到IP地址对应的设备。在局域网内，如果找不到设备，就需要路由。路由就是找到数据应该往哪里发送，最后通过层层路由定位到具体的设备。寻址就是通过地址查找到设备，和我们生活中的寻址差不多，比如根据一个地址查找到一个大厦，在IPv4协议中，寻址找到的就是一个设备所在的位置。路由本质是路径的选择，就好像知道地址，但是到了一个十字路口，还需要选择具体的路径。寻址找到最终的设备，同时借助路由在每个节点选择数据传输的线路，因此寻址和路由是相辅相成的关系。
