在互联网中，两个互联网模块（即主机、路由器、网关等）之间的通信，是执行互联网协议（IP，Internet Protocol）。互联网协议（IP）规定了通信信息的数据传输格式，这称为互联网报文（internet datagram），或称数据报。所谓互联网报文，是指在一对互联网模块之间交换的数据单位（包括互联网报头）。在RFC 791《Internet Protocol》中规定了互联网报文的格式，它是由报头和报文数据信息构成。RFC 791规定的互联网协议属于IPv4版本。IPv4的报文格式如下图0所示。
图0：IPv4报文（Datagram）格式
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一、报头
由图0可知，IPv4的报文格式是用二进制比特表示，4个字节（32比特）构成一个单元。互联网报头（Internet Header）是指“消息、段、数据报、数据的分组或块的开头的控制信息”。它分为固定长度部分和可变长度部分。报头中每单元由一个或多个字段构成。每字段的长度（比特位）不同，但各字段的长度是固定的，这就是固定长度部分的报头，由前12个字段构成，共占用20个字节。报头可变长度部分只有最后一个字段，即“可选项（Optional）”字段。下述对各字段分别做一介绍。
1、版本（Version）字段：
版本（Version）字段表示互联网报头的格式。其字段长度为4比特。IPv4的该字段之值为“4”（二进制表示为0100）。该值是由RFC 1700《Assigned Numbers》规定的，RFC 1700对于互联网协议体系（也称套件）版本号码（0~15）分配详见下表1-1。
表 1-1：互联网协议体系版本号的规定
2、报头长度（IHL，即Internet Header Length）字段：
该字段长度为4比特。由于报头中有可选字段，因而报头长度不固定，此字段之值指明报头为4字节的倍数。此字段的最小值为5，表示只有固定长度部分而无选项，即报头长度为20字节；该4比特字段的最大值为15，故报头最长为60字节；
3、服务类型（TOS，Type Of Service）字段：
服务类型字段的长度为8比特（1个字节）。该字段用于指明用户期望的非量化的服务质量，IPv4对TOS字节中各比特的用途规定如下图1-3所示，
图 1-3：IPv4对服务类型比特的规定
其中：PPP（Precedence）表示优先权，3比特（第0~2比特），用于指明报文的重要性或优先级别，以及后续参数（D、T、R）映射为实际网络的服务质量的方式；D（Delay attribute）表示延迟属性，1比特（第3比特）；T（Throughput attribute）表示吞吐率属性，1比特（第4比特）；R（Reliability attribute）表示可靠性属性，1比特（第5比特）；第6~7比特留作备用，其值恒为0。对于TOS前6比特的取值及含义具体详见下表1-3-1。另外，RFC 795对在ARPANET、PRNET和SATNET内服务质量的映射作了具体的规定。
表 1-3-1：IPv4服务类型值
在实践中，IPv4文本中对TOS字节中D、T、R比特的定义并未获得实际应用，也未强制用户使用上述比特。1981年的RFC 1700、1992年的RFC 1349和1993年的RFC 1455进一步规范了“优先级（Precedence）”之后5比特域的使用规则，将前4比特称为TOS域，最后1比特称为“必为零比特”（MBZ，即Must Be Zero）。此后，所有主机发送IP报文时都必须使用这5比特。下表1-3-2列出了RFC 1700和RFC 1349中总结的TOS域代码和意义。这一规定的意图在于利用TOS域作为路由器选择路径的基础。
表 1-3-2：IPv4的TOS域之规定
从上面的讨论我们可以看出：IPv4追求的服务质量是一种尽其所能的质量，在费用、可靠性、吞吐率、延时和安全性等5个方面选择一个最重要的指标，请求网络传输系统就其所能尽量满足。这与X.25网络和ATM网络对服务质量的要求不同。
4、报文总长度（Internet Datagram Total Length）字段：
报文总长度字段长度为 16比特（两个字节），用于指示报文（Datagram）总的长度，以8字节为单位，包括报头和报文数据信息。允许IP报文的最大长度为65536字节。但由于实际网络支持的长度可能不同，IPv4要求支持的最大报文长度至少为576字节，即至少允许存放512字节的用户数据（64+512）；
5、报文标志符（Identification）字段：
也为16比特长度的字段，发送方指定的一种标识值，用于帮助组合数据报的“片（Fragment）”。在该报文存活期内，在同一对通信目标间的报文中，此标志符之值必须惟一。因此，在报文“片”重新合成报文时，可用它作为“片”与原报文之间的关联标志符。
注意：互联网片（Internet Fragment）是指带有互联网报头的互联网数据信息的一部分数据。“片”由1个或多个8字节数据块（“片块”，Fragment Block）组成。
6、标志字段（Flags）：
标志字段（Flags）用作各种控制标志。其字段长度为3比特，各比特的用意详见下表1-6（注意：除最后一“片”外，前面的“片”必须为8字节（64比特）的整数倍）。
表 1-6：标志字段（Flags）各比特用用意
7、片位移（Fragment Offset）字段：
片位移字段的长度为13比特（因为前面标志字段占用3比特）。该字段表示该“片”在数据报中的位置，片偏移量以8个字节（64位）为单位测量，第一个片的偏移量为0。片由1个或多个8字节组成的数据块（“片块”，Fragment Block）。每个数据片中的片块数（NFB，即Number of Fragment Block）将用作片位移的计数增量。例如：报文的第一“片”的该字段为“0”，若该“片”为512字节（NFB=64），分片后第2个报文的片位移字段内应为“64”，余类推。由于IP报文的最大长度为65536字节，故最大片位移量为8191。
8、存活期（TTL，Time To Live）字段：
TTL字段长度为8比特，用于指明报文在互联网内还能够生存的时间（单位：秒）。经过一个路由器，处理报头的模块至少对该值减1（即使处理时间不到1秒），当该值减为0时，该报文被丢弃，以防止报文在互联网内长时间循环。目前推荐使用的存活期（TTL）的缺省初始值为64。
存活期以时间秒为单位进行计算和处理在实践中很难进行，标准文本中也没说怎么实现。如果以绝对时间为基础进行计算，就要求全网时钟同步或具有某种“时戳”（Time Stamping）系统，而该功能属于选项，并非所有网络都支持。在实践中，最简单的方法是计算跨过的中间节点数（Hop），许多IPv4协议实现就是这样做的，IPv6已将该字段改为“Hop Limit”。
9、协议（Protocol）字段：
该字段长度为8比特。用于标志在IP报文用户数据字段内部装载的下层协议数据使用的协议（如：TCP），RFC 1700对此字段数字作了明确的规定。下面将IP层之上的典型协议十进制代码列举如下，详见表1-9。
表 1-9：相关标准对典型IP上层协议的编号列表及协议的中英文对照
10、报头校验和（Header Checksum）字段：
该字段长度为16比特，只对报头进行校验和。由于一些报头字段发生了变化（例如，生存时间），因此在处理互联网报头的每个点上都要重新计算和验证。IPv4的16位校验码采用简单的16位求反码的方式获得，而没有采用循环冗余校验方式.。
11、源地址／目的地址（Source/Destination Address）字段：
源地址和目的地址的字段长度均为32比特（4个字节），并有其专门的格式。
欲详细了解IPv4的地址（源地址和目的地址）技术要求的请进入。
12、可选项（Optional）字段：
该字段是报文头中的可选择部分。其字段长度可变，最大总长度为44字节。为了与报文长度为4字节的整倍数相适应，选项部分总长度也必须为4字节的整倍数，否则应通过填充字段（Padding）补齐。应当指出：尽管单个报文中可能有一个或一个以上的选项，也可能无选项，但实现IPv4协议的软、硬件则必须支持所有种类的选项。
选项具有下图1-12所示的通用格式，但某些选项可能只有第1字节（选项类型Option Type）。选择类型又由3个字段（Copied Flag，Option Class和Option Number）组成，这3个字段的取值要求详见下表1-12-1。
图 1-12：IP报文选项通用格式示意图
表 1-12-1：选择类型中各字段的取值
下表1-12-2为典型IPv4选项的内部字段及选项用途说明。目前相关标准文本（RFC 1700）中定义了19种选项（注意：表1-3-1中只列出了其中的8种典型选项），它们分别与安全、源选径、路径记录、连续报文流和报文在网内传输过程中加盖时戳等有关。
表 1-12-2：典型IPv4选项的内部字段及选项用途说明
二、报文的数据信息
报头后紧跟报文的数据信息。报文的数据信息即两个互联网模块间应传送的用户数据。包括报头（含固定长度部分和可变长度部分）最大长度为65536字节（4字节的整倍数）。
三、报文的示例
下图3是一个IPv4的携带最小数据的互联网报文的例子（注意，每个刻度表示一个比特的位置）。其报头由5个32比特（4字节）组成，数据报的总长度为21个八位字节。这个数据报是一个完整的数据报（无“片”段）。
图 3：IPv4的携带最小数据的互联网报文示例
四、报文中比特的传输顺序
报文中报头和数据的传输顺序被解析为八位字节级别。当图表显示一组八位元时，这些八位位元的传输顺序是它们在英语中阅读的正常顺序。例如，在下图4中（每个刻度表示一个比特的位置），八位位元是按照十进制的编号顺序传输的。当八位字节表示一个数字量时，图中最左边的位是高阶或最高有效位。也就是说，十进制标记为0的位是最高有效位。
图 4：比特的传输顺序
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