一、概述
1、互联网协议（IP）的基本概念
互联网协议（IP，Internet Protocol）是互联网（Internet）上一个最基本的协议，互联网本身是一个分组交换的计算机通信网络，因此，IP是为在分组交换计算机通信网络的互连系统中使用而设计的。该协议在互联网环境中被主机对主机协议调用，它处于互联网的网络层。该协议调用本地网络协议将互联网数据报传送到下一个网关或目的主机。互联网协议提供了从源到目的地的数据传输块，称为报文（datagram）或称数据报，其中源和目的地是由固定长度地址标识的主机。
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互联网协议（IP）的范围特别有限，无法提供必要的功能，以便通过相互连接的网络系统将比特包（互联网数据报）从一个源发送到一个目的地。没有机制来增强端到端数据可靠性、流控制、排序或主机到主机协议中常见的其它服务。因此，IP是需要利用其它支持网络服务的协议来提供各种类型和质量的服务的。
2、TCP/IP及IP与其它协议的关系
事实上，用于计算机间通信的互联网协议由3个层次构成：网络、传输和应用程序，如下图1-2所示。网络协议协调信息传输；传输协议负责数据的完整性；应用程序协议格式化数据以便于传输。互联网中用于将信息从一台计算机送到另一台计算机的协议称为IP。IP协议中的信息以分组的形式传输。互联网中有两个用来协调网络传输正确性的协议，即：传输控制协议（TCP）和用户数据报协议（UDP）。传输协议判断分组是否到达了目的地，如果已到达，协议将分组按正确顺序排放。互联网中有许多应用程序，而每一个都有它自己的应用程序协议，如远程登录协议（Telnet）、文件传输协议（FTP）、简单文件传送协议（TFTP）等等。
图 1-2：互联网协议（IP）与其它协议的关系
在互联网中，TCP和IP协议习惯上放在一起统称为TCP/IP协议。TCP/IP协议是支持互联网的基本通信协议，是计算机和相关设备组成网络的许多协议中的两个。TCP负责数据的流量控制，并保证传输的正确性；IP负责将数据从一处传往另一处。TCP/IP协议具有广泛的兼容性和可伸缩性，可连接不同的计算机网络协议和不同的网络设备。
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另外，由图1-2可知，互联网协议接口的一侧是高级的主机对主机协议，另一侧是本地网络协议。在这种情况下，“本地网络（local network）”可以是建筑物中的小型网络（如局域网LAN），也可以是像ARPANET这样的大型网络。
3、IP的基本功能
互联网协议（IP）实现了两个基本功能，即：寻址和分段。互联网模块（如主机、路由器、网关等）使用互联网报头（header）中携带的地址将互联网数据报传输到它们的目的地。传输路径的选择称为路由。当需要通过“小包”网络传输时，互联网模块使用互联网报头中的字段对互联网数据报进行分段和重组。
其运作模式是，互联网模块驻留有参与互联网通信的相关程序，这些模块共享解释地址字段和分割及组装互联网数据报的通用规则。此外，这些模块（特别是在网关中）具有制定路由决策和其他功能的过程。
4、IP的服务机制
互联网协议（IP）使用四种关键机制来提供服务，即：服务类型、生存时间、可选项和报头校验和。事实上这些都是IP报头中字段；种四种服务机制的释义详见下表1-4的描述。
表 1-4：互联网协议（IP）使用的四种关键服务机制
由表可知，互联网协议（IP）不提供可靠的通信服务；没有端到端或逐跳的确认；对数据没有错误控制，只有报头校验和；没有重传；没有流量控制。检测到的错误可以通过因特网控制消息协议（ICMP）报告，ICMP是在互联网协议模块中实现的。
二、互联网协议（IP）的规范
1、IP的报文格式
互联网协议（IP）提供了从源到目的地的数据块的传输，该数据块称为互联网报文（internet datagram）。即互联网报文在一对网络模块之间交换的数据单位（包括互联网报头）。因此，互联网报文是由报头和所要传输的数据构成。报头（header）是指消息、段、报文、数据包或数据块开头的控制信息。互联网报文的报头（header of internet datagram）格式如下图2-1所示。
图 2-1：互联网报文的报头（header）格式
图中，报头（header）是用二进制比特表示（图中每个刻度表示一个比特的位置），4个字节（32比特）构成一个单元，每单元由一个或多个字段（field）构成，共有13个字段构成。其中，前12个字段为固定长度字段，即每字段的长度（比特位）不同，但各字段的长度是固定的，共占用20个字节。最后一个称为“可选项（Optional）”字段，其字段是可变长度的。
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2、IP用户接口
IP用户接口的功能描述充其量是虚构的，因为每个操作系统都有不同的功能。因此，必须提醒的是，不同的IP实现可能有不同的用户接口。但是，所有IP必须提供一定的最小服务集，以保证所有IP实现都能支持相同的协议层次结构。
互联网协议接口（Interfaces）的一端与本地网络相连，另一端与更高级别的协议或应用程序相连（见图1-2）。协议中，高层协议或应用程序（甚至网关程序）将被称为“用户”，因为它使用互联网模块。由于互联网协议是一种数据报协议，因此在数据报传输之间只需要维持最小的内存或状态，并且用户对互联网协议模块的每次调用都提供IP执行所请求的服务所需的所有信息。
三、互联网协议（IP）的版本
目前，互联网协议（IP）的版本有两个版本，即第4版本的IPv4和第6版本的IPv6。
1、IPv4
事实是，上述介绍的互联网协议（IP）的内容就是第4版本IPv4的内容。它是由互联网工程任务组（IETF）在1981年9月发布的RFC 791《Internet Protocol》所规范。RFC 791是IETF发布第一个正式的互联网标准（早期的RFC文档则称为“国防部标准-互联网协议”）。依据当时的RFC 1700《Assigned Numbers（号码分配）》标准的规定，将互联网协议（IP）的版本号命名为4，因此在IP报文头中的第1个字段“版本字段（version）”之值规定为“4”，于是RFC 791便被称为IPv4版本。若要详细了解RFC 791标准全部内容的请查阅下附件。
附件：RFC 791《Internet Protocol》
2、IPv6
对于IPv4，当初已经把其IP地址设计成32比特，地址总数为232，约达43亿个。然而，互联网在全球突飞猛进的发展与应用，使设计者大出所料。其IP地址空间的匮乏成为了严重制约互联网发展应用的致命因素，新版本的互联网协议的研制势在必行，且迫在眉睫。当然IPv4也存在着其它一些不利因素。于是，于1998年12月，IETF发布了RFC 2460《Internet Protocol, Version 6（IPv6）Specification》，将IP地址由原来的IPv4时的32位直接扩容到128位，地址字段（包括源地址和目的地址））长度扩了4倍；地址空间扩了1024倍。此时，IP地址空间为2128个，约达3.4×1038个。如此容量的IP地址应该不再会影响互联网技术的发展了。
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依据原RFC 1700的规定，已将协议类的版本号“6”分配给了“简单互联网协议（Simple Internet Protocol）”，但互联网号码分配机构（IANA）最终决定将版本号“6”分配给了新版的互联网协议（IP）。于是，在RFC 2460规定的分组头中的第1个字段“版本字段（version）”之值取值为“6”。这即为新版IP被称为第6版本IP的来历，简称IPv6。
需要指出的是：新版互联网协议（IPv6）它不仅是拥有巨大地址空间，同时，IPv6还具有更简单、更方便、更可扩展、更安全的特征，这些特有的特征，可以高效支撑移动互联网、物联网、云计算、大数据和人工智能等领域的快速发展。这是因为，IPv6将其分组头（即IPv4时所称的报文头）进行了进一步的优化简化，即将IPv4时固定长度的字段由12个减少到8个，并将不常用字段改为选项，称为扩展分组头，其字段数及长度是任意的，理论上可以任意扩展字段，具备优异的灵活性和巨大的创新空间。
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当IPv6互联网从1999年1月开始部署，导致目前互联网的两个版本网络共存且互通，唯有待现存的IPv4网络及设备的自然淘汰。
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