第2章 IP协议详解
IP协议是TCP/IP协议族的核心协议，也是socket网络编程的基础之一。本章从两个方面较为深入地探讨IP协议：
由于32位表示的IP地址即将全部使用完，因此人们开发出了新版本的IP协议，称为IPv6协议，而原来的版本则称为IPv4协议。本章前面部分的讨论都是基于IPv4协议的，只在最后一节简要讨论IPv6协议。
在开始讨论前，我们先简单介绍一下IP服务。
2.1 IP服务的特点
IP协议是TCP/IP协议族的动力，它为上层协议提供无状态、无连接、不可靠的服务。
无状态（stateless）是指IP通信双方不同步传输数据的状态信息，因此所有IP数据报的发送、传输和接收都是相互独立、没有上下文关系的。这种服务最大的缺点是无法处理乱序和重复的IP数据报。比如发送端发送出的第N个IP数据报可能比第N+1个IP数据报后到达接收端，而同一个IP数据报也可能经过不同的路径多次到达接收端。在这两种情况下，接收端的IP模块无法检测到乱序和重复，因为这些IP数据报之间没有任何上下文关系。接收端的IP模块只要收到了完整的IP数据报（如果是IP分片的话，IP模块将先执行重组），就将其数据部分（TCP报文段、UDP数据报或者ICMP报文）上交给上层协议。那么从上层协议来看，这些数据就可能是乱序的、重复的。面向连接的协议，比如TCP协议，则能够自己处理乱序的、重复的报文段，它递交给上层协议的内容绝对是有序的、正确的。
虽然IP数据报头部提供了一个标识字段（见后文）用以唯一标识一个IP数据报，但它是被用来处理IP分片和重组的，而不是用来指示接收顺序的。
无状态服务的优点也很明显：简单、高效。我们无须为保持通信的状态而分配一些内核资源，也无须每次传输数据时都携带状态信息。在网络协议中，无状态是很常见的，比如UDP协议和HTTP协议都是无状态协议。以HTTP协议为例，一个浏览器的连续两次网页请求之间没有任何关联，它们将被Web服务器独立地处理。
无连接（connectionless）是指IP通信双方都不长久地维持对方的任何信息。这样，上层协议每次发送数据的时候，都必须明确指定对方的IP地址。
不可靠是指IP协议不能保证IP数据报准确地到达接收端，它只是承诺尽最大努力（best effort）。很多种情况都能导致IP数据报发送失败。比如，某个中转路由器发现IP数据报在网络上存活的时间太长（根据IP数据报头部字段TTL判断，见后文），那么它将丢弃之，并返回一个ICMP错误消息（超时错误）给发送端。又比如，接收端发现收到的IP数据报不正确（通过校验机制），它也将丢弃之，并返回一个ICMP错误消息（IP头部参数错误）给发送端。无论哪种情况，发送端的IP模块一旦检测到IP数据报发送失败，就通知上层协议发送失败，而不会试图重传。因此，使用IP服务的上层协议（比如TCP协议）需要自己实现数据确认、超时重传等机制以达到可靠传输的目的。