上图给出了 IPv4 数据报 的格式。
在 IP 数据报中，最高有效位在左侧且编号为 0 ，一个 32 位值的最低有效位在右侧且编号为 31 。一个 32 位值的 4 字节按以下顺序传输：首先是 0 ~ 7 位，然后是 8 ~ 15 位，接着是 16 ~ 23 位，最后是 24 ~ 31 位。这就是所谓的 高位优先 字节序，它被称为 网络字节序 。计算机的 CPU 使用其他格式存储二进制整数，例如大多数 PC 使用低位优先字节序，在传输时必须将首部值转换为网络字节序，并在接收时再转换回来。
下面介绍了各个字段的长度以及其作用。
版本(Version) 字段，只占据 4 位即半个字节。它用于标识该数据报的 IP 版本号，对于 IPv4 来说，此值为 4 ；对于 IPv6 来说，此值为 6 。IPv4 首部和 IPv6 首部除版本字段位置相同外再无其他是一样的。通过版本号，路由器能确定如何解释该 IP 数据报的剩余部分。
Internet 首部长度(IHL) 字段，只占据 4 位即半个字节。因为 IPv4 数据报首部可以包含可选字段，所以需要用此字段确定该 IP 数据报的首部长度。该字段的单位是 32 位字长(即 4 个字节)，也就是说当该字段的值为 1 时，表示的是首部长度为 1 * 32 = 32 位即 1 * 4 = 4 个字节。正常的 IPv4 首部固定部分大小为 20 字节，即此字段的值为 5 (即二进制的 0101 )。又因为该字段只有 4 位大小，最大只能表示 15 ，所以 IPv4 的首部最多只能有 60 个字节长。
服务类型(Type of Service) 字段，该字段占据 8 位即一个字节，这是根据最初的 IPv4 规范[RFC0791]所指定的，由于它实际上并没有被广泛使用，后来此字段被划分为两个部分，目前，前 6 位被划分为 区分服务(Differentiated Services) 字段，和后 2 位的 显式拥塞通知(ECN) 字段[RFC2474, RFC3168, RFC3260]，关于此字段下一次再详细讲解。
数据报长度(Total Length) 字段，该字段占据 16 位即两个字节，此字段以字节为单位，该字段用于表示该 IP 数据报的总长度(包含首部和数据)。因为该字段只占据 16 位，所以 IP 数据报的最大理论长度为 65 535 字节，但实际上 IP 数据报很少有超过 1500 字节的，为的是使 IP 数据报能容纳最大长度的以太网帧的载荷。同时，通过此字段和 Internet 首部长度(IHL) 字段能确定数据部分的起始位置，以及数据部分的长度。当然，一个 IPv4 数据报被分为多个更小的分片时，该字段表示的是当前具体分片的总长度。
标识(Identification) 字段，该字段占据 16 位即两个字节，此字段是发送方分配的一种识别值，用于帮助组装数据报的分片。因为有些 IP 数据报的长度超过数据链路层协议规定的单个数据帧最大的长度，所以需要对 IP 数据报进行分片。发送方在存储器中维持一个计数器，每产生一个分片的 IP 数据报就将该计数器值加一，最后将该计数器的值赋值给所有分片的 IP 数据报中的此字段。相同的标识字段的值使分片后的 IP 数据报最后能重装为原来的数据报。
标志(Flags) 字段，该字段占据 3 位，此字段的第一位始终为 0 。第二位称为 DF(Don't Fragment) 表示不能分片，当 DF = 0 时允许分片；当 DF = 1 时不允许分片。第三位称为 MF(More Fragment) 表示该分片的 IP 数据报是否为若干数据报的最后一个，当 MF = 0 时表示当前数据报为分片后的最后一个数据报；当 MF = 1 时表示后面还有分片。
分片偏移(Fragment Offset) 字段，该字段占据 13 位，此字段指示此分片在原来的数据报中所属的相对位置。分片偏移量以 8 个字节(即 64 位)为偏移单位。第一个分片的偏移量为零。除了最后一个数据报分片外，其他每个分片的长度一定是 8 字节的整数倍。
生存时间(Time to Live, TTL) 字段，该字段占据 8 位即一个字节，用于设置一个数据报可经过路由器数量的上限，该字段的作用是确保数据报不会永远在网络中循环传输。发送方将该字段初始化为某个值(例如按照[RFC1122]中的建议设置为 64 )，每经由一台路由器处理数据报时，该字段的值减一。若该字段的值减至 0 ，则该 IP 数据报必须丢弃，并使用一个 ICMP 报文通知发送方。(注：在最初此字段指定 IP 数据报的最大生存期在几秒内，每经过一个路由器就把此字段的值减去数据报在路由器消耗的时间，如果小于 1 秒也进行减一处理，但实际上路由器通常不会处理数据报超过 1 秒钟，所以后来在 IPv6 中将其重新命名为跳数限制。)
上层协议(Protocol) 字段，该字段占据 8 位即一个字节，表示数据报数据部分应该交给哪个特定的运输层协议处理。最常用的像 UDP 此字段值为 17 或者 TCP 此字段值为 6 。这个字段使 IP 协议可以用于携带多种协议类型的有效载荷。下面给出了一些常见的协议名称以及对应的上层协议字段值，如果想要获取更全的信息，请访问 http://www.iana.org/assignments/protocol-numbers/protocol-numbers.xhtml 。
协议名称 | 上层协议字段值 |
ICMP | 1 |
IGMP | 2 |
IP | 4 |
TCP | 6 |
EGP | 8 |
IGP | 9 |
UDP | 17 |
IPv6 | 41 |
OSPF | 89 |
首部校验和(Header Checksum) 字段，该字段占据 16 位即两个字节，该字段用于帮助路由器检测收到的 IP 数据报中的比特错误，注意，这个检测只检测 IP 数据报的首部，不包含其数据部分。这也就意味着上层协议必须通过自己的方法检测数据的完整性。更有一点需要注意的是，因为每经过一个路由器其首部 TTL 字段进行了减一操作，所以其首部校验和必须更改。
Internet 校验和 是一个 16 位的数字和，但它与常见的 循环冗余校验(CRC) 不一样，接下来，让我们看看首部校验和是如何计算的。
- 在发送方，首先将数据报的校验和字段值设置为
0 ，然后，把 IP 数据报首部划分为多个 16 位(即两个字节)的序列，不包括校验字段。对每个序列进行二进制 求和 ，求和可以通过循环进位加法实现，然后再对结果进行 取反 操作，最后将得到的结果写入 IP 数据报的首部校验和字段。 - 在接收方，收到数据报后，同样将 IP 数据报首部划分为多个
16 位(即两个字节)的序列，包括校验字段。对每个序列进行二进制 求和 ，然后再对结果进行 取反 操作，如果首部没有出错，该结果必定为 0 ，否则数据报首部出错将该数据报丢弃。
下图给出了一个计算的例子，为了表示方便，简化了数据报格式。
源 IP 地址(Source Address) 字段，该字段表示发送此 IP 数据报的主机接口的 IP 地址。
目的 IP 地址(Destination Address) 字段，该字段表示接收此 IP 数据报的主机接口的 IP 地址。
可选(Options) 字段，该字段允许 IP 数据报首部被扩展，但因为处理性能等问题，该选项字段已经在 IPv6 首部中去除。
数据(Data) 字段，该字段存储 IP 数据报的数据。
参考文献：
[1] James F. Kurose; Keith W. Ross, Computer Networking A Top-Down Approach, 8th ed., Pearson, 2021.
[2] Fall, K. R., and Stevens, W. R. TCP/IP详解 卷1：协议. Translated by 吴英, 张玉 and 许昱玮, 2nd ed., 机械工业出版社, 2016.
[3] 谢希仁, 计算机网络, 8th ed., 电子工业出版社, 2021.
[4] J. Postel, "Internet Protocol" RFC 0791, September 1981.