IPv4是英文Internet Protocol version 4的縮寫，中文名為互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本4。IPv4是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議開發(fā)過程中的第四個修訂版本(網(wǎng)際網(wǎng)協(xié)四版)，也是此協(xié)議第一個被廣泛部署的版本。

　　IPv4是一種無連接的協(xié)議，操作在使用分組交換的鏈路層(如以太網(wǎng))上。此協(xié)議會盡最大努力交付分組，意即它不保證任何分組均能送達(dá)目的地，也不保證所有分組均按照正確的順序無重復(fù)地到達(dá)。這些方面是由上層的傳輸協(xié)議(如傳輸控制協(xié)議)處理的。

　　IPv4與IPv6均是標(biāo)準(zhǔn)化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的核心部分。IPv4依然是使用最廣泛的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本，直到2011年，IPv6仍處在部署的初期。

　　IPv4在IETF于1981年9月發(fā)布的RFC 791中被描述，此RFC替換了于1980年1月發(fā)布的RFC 760。

　　Version - 4位字段，指出當(dāng)前使用的 IP 版本。

　　IP Header Length (IHL) ─ 指數(shù)據(jù)報協(xié)議頭長度，具有32位字長。指向數(shù)據(jù)起點。正確協(xié)議頭最小值為5。

　　Type-of-Service ─ 指出上層協(xié)議對處理當(dāng)前數(shù)據(jù)報所期望的服務(wù)質(zhì)量，并對數(shù)據(jù)報按照重要性級別進(jìn)行分配。這些8位字段用于分配優(yōu)先級、延遲、吞吐量以及可靠性。(即TOS)

　　Total Length ─ 指定整個 IP 數(shù)據(jù)包的字節(jié)長度，包括數(shù)據(jù)和協(xié)議頭。其最大值為65,535字節(jié)。典型的主機(jī)可以接收576字節(jié)的數(shù)據(jù)報。

　　Identification ─ 包含一個整數(shù)，用于識別當(dāng)前數(shù)據(jù)報。該字段由發(fā)送端分配幫助接收端集中數(shù)據(jù)報分片。

　　Flags ─ 由3位字段構(gòu)成，其中低兩位(最不重要)控制分片。中間位(DF)指出數(shù)據(jù)包是否可進(jìn)行分片。低位(MF)指出在一系列分片數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)包是否是最后的分片。第三位即最高位不使用。

　　Fragment Offset ─ 13位字段，指出與源數(shù)據(jù)報的起始端相關(guān)的分片數(shù)據(jù)位置，支持目標(biāo)IP適當(dāng)重建源數(shù)據(jù)報。

　　Time-to-Live ─ 是一種計數(shù)器，在丟棄數(shù)據(jù)報的每個點值依次減1直至減少為0。這樣確保數(shù)據(jù)包無止境的環(huán)路過程(即TTL)。

　　Protocol ─ 指出在 IP 處理過程完成之后，有哪種上層協(xié)議接收導(dǎo)入數(shù)據(jù)包。

　　Header Checksum ─ 幫助確保 IP 協(xié)議頭的完整性。由于某些協(xié)議頭字段的改變，如生存期(Time to Live)，這就需要對每個點重新計算和檢驗。Internet 協(xié)議頭需要進(jìn)行處理。

　　Source Address ─ 源主機(jī)IP地址。

　　Destination Address ─ 目標(biāo)主機(jī)IP地址。

　　Options ─ 允許 IP 支持各種選項，如安全性。

　　Data ─ 包括上層信息。

　　IPv4使用32位(4字節(jié))地址，因此地址空間中只有4,294,967,296(232)個地址。不過，一些地址是為特殊用途所保留的，如專用網(wǎng)絡(luò)(約18百萬個地址)和多播地址(約270百萬個地址)，這減少了可在互聯(lián)網(wǎng)上路由的地址數(shù)量。隨著地址不斷被分配給最終用戶，IPv4地址枯竭問題也在隨之產(chǎn)生。基于分類網(wǎng)絡(luò)、無類別域間路由和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換的地址結(jié)構(gòu)重構(gòu)顯著地減少了地址枯竭的速度。但在2011年2月3日，在最后5個地址塊被分配給5個區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)注冊管理機(jī)構(gòu)之后，IANA的主要地址池空了。

　　這些限制刺激了仍在開發(fā)早期的IPv6的部署，這也是唯一的長期解決方案。

　　1.地址格式

　　IPv4地址可被寫作任何表示一個32位整數(shù)值的形式，但為了方便人類，它通常被寫作點分十進(jìn)制的形式，即四個字節(jié)被分開用十進(jìn)制寫出，中間用點分隔。

　　下表展示了幾種不同的格式：

此外，在點分格式中，每個字節(jié)都可用任意的進(jìn)制表達(dá)。如，192.0x00.0002.235是一種合法(但很不常用)的表示。

　　2.分配

　　最初，一個IP地址被分成兩部分：網(wǎng)絡(luò)識別碼在地址的高位字節(jié)中，主機(jī)識別碼在剩下的部分中。這使得創(chuàng)建最多256個網(wǎng)絡(luò)成為可能，但很快人們發(fā)現(xiàn)這樣是不夠的。

　　為了克服這個限制，在隨后出現(xiàn)的分類網(wǎng)絡(luò)中，地址的高位字節(jié)被重定義為網(wǎng)絡(luò)的類(Class)。這個系統(tǒng)定義了五個類別：A、B、C、D和E。A、B和C類有不同的網(wǎng)絡(luò)類別長度，剩余的部分被用來識別網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)，這就意味著每個網(wǎng)絡(luò)類別有著不同的給主機(jī)編址的能力。D類被用于多播地址，E類被留作將來使用。

　　在1993年左右，無類別域間路由(CIDR)正式地取代了分類網(wǎng)絡(luò)，后者也因此被稱為“有類別”的。

　　CIDR被設(shè)計為可以重新劃分地址空間，因此小的或大的地址塊均可以分配給用戶。CIDR創(chuàng)建的分層架構(gòu)由互聯(lián)網(wǎng)號碼分配局(IANA)和區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)注冊管理機(jī)構(gòu)(RIR)進(jìn)行管理，每個RIR均維護(hù)著一個公共的WHOIS數(shù)據(jù)庫，以此提供IP地址分配的詳情。

　　3.特殊用途的地址

　　保留的地址塊:

　　4.專用網(wǎng)絡(luò)

　　在IPv4所允許的大約四十億地址中，三個地址塊被保留作專用網(wǎng)絡(luò)。這些地址塊在專用網(wǎng)絡(luò)之外不可路由，專用網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)的主機(jī)也不能直接與公共網(wǎng)絡(luò)通信。但通過網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換，他們即能做到后者。

　　下表展示了三個被保留作專用網(wǎng)絡(luò)的地址塊(RFC 1918)：

5.虛擬專用網(wǎng)絡(luò)

　　以專用網(wǎng)絡(luò)地址作目的地址的報文會被所有公共路由器忽略，因此在兩個專用網(wǎng)絡(luò)之間直接通信(如兩個分支辦公室間)是不可能的。這需要使用IP隧道或虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)。

　　VPN在公共網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建連接兩個專用網(wǎng)絡(luò)的隧道。在這種功能中，隧道一端的主機(jī)將報文封裝在一個公共網(wǎng)路上可以接受的協(xié)議層中，然后這些報文就可以被送達(dá)隧道的另一端，在那里，附加的協(xié)議層被去掉，報文也被送達(dá)其原定的目的地。

　　此外，封裝過的報文也可能被加密以保證其在公共網(wǎng)絡(luò)上傳輸時的安全性。

　　6.鏈路本地地址

　　RFC 5735中將地址塊169.254.0.0/16保留為特殊用于鏈路本地地址，這些地址僅在鏈路上有效(如一段本地網(wǎng)絡(luò)或一個端到端連接)。這些地址與專用網(wǎng)絡(luò)地址一樣不可路由，也不可作為公共網(wǎng)絡(luò)上報文的源或目的地址。鏈路本地地址主要被用于地址自動配置：當(dāng)主機(jī)不能從DHCP服務(wù)器處獲得IP地址時，它會用這種方法生成一個。

　　當(dāng)這個地址塊最初被保留時，地址自動配置尚沒有一個標(biāo)準(zhǔn)。為了填補(bǔ)這個空白，微軟創(chuàng)建了一種叫自動專用IP尋址(APIPA)的實現(xiàn)。因微軟的市場影響力，APIPA已經(jīng)被部署到了幾百萬機(jī)器上，也因此成為了事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。許多年后，IETF為此定義了一份正式的標(biāo)準(zhǔn)：RFC 3927，命名為“IPv4鏈路本地地址的動態(tài)配置”。

　　7.環(huán)回地址(Loopback Address)

　　地址塊127.0.0.0/8被保留作環(huán)回通信用。此范圍中的地址絕不應(yīng)出現(xiàn)在主機(jī)之外，發(fā)送至此地址的報文被作為同一虛擬網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的入站報文(環(huán)回)，主要用于檢查TCP/IP協(xié)議棧是否正確運行和本機(jī)對本機(jī)的鏈接。

　　8.以0或255結(jié)尾的地址

　　一個常見的誤解是以0或255結(jié)尾的地址永遠(yuǎn)不能分配給主機(jī)：這僅在子網(wǎng)掩碼至少24位長度時(舊的C類地址，或CIDR中的/24到/32)才成立。

　　在有類別的編址中，只有三種可能的子網(wǎng)掩碼：A類：255.0.0.0，B類：255.255.0.0，C類：255.255.255.0。如，在子網(wǎng)192.168.5.0/255.255.255.0(即192.168.5.0/24)中，網(wǎng)絡(luò)識別碼192.168.5.0用來表示整個子網(wǎng)，所以它不能用來標(biāo)識子網(wǎng)上的某個特定主機(jī)。

　　廣播地址允許數(shù)據(jù)包發(fā)往子網(wǎng)上的所有設(shè)備。一般情況下，廣播地址是借由子網(wǎng)掩碼的比特補(bǔ)數(shù)并和網(wǎng)絡(luò)識別碼運行 OR 的比特運算就能獲得，這也就是說，廣播地址是子網(wǎng)中的最后一個地址。在上述例子中，廣播地址是192.168.5.255，所以為了避免歧義，這個地址也不能被分配給主機(jī)。在A、B和C類網(wǎng)絡(luò)中，廣播地址總是以255結(jié)尾。

　　但是，這并不意味著每個以255結(jié)尾的地址都不能用做主機(jī)地址。比如，在B類子網(wǎng)192.168.0.0/255.255.0.0(即192.168.0.0/16)中，廣播地址是192.168.255.255。在這種情況下，盡管可能帶來誤解，但192.168.1.255、192.168.2.255等地址可以被分配給主機(jī)。同理，192.168.0.0作為網(wǎng)絡(luò)識別碼不能被分配，但192.168.1.0、192.168.2.0等都是可以的。

　　隨著CIDR的到來，廣播地址不一定總是以255結(jié)尾。比如，子網(wǎng)203.0.113.16/28的廣播地址是203.0.113.31。

　　一般情況下，子網(wǎng)的第一個和最后一個地址分別被作為網(wǎng)絡(luò)識別碼和廣播地址，任何其它地址都可以被分配給其上的主機(jī)。

　　9.地址解析

　　互聯(lián)網(wǎng)上的主機(jī)通常被其名字(如zh.wikipedia.org、www.berkeley.edu等)而不是IP地址識別，但I(xiàn)P報文的路由是由IP地址而不是這些名字決定的。這就需要將名字翻譯(解析)成地址。

　　域名系統(tǒng)(DNS)提供了這樣一個將名字轉(zhuǎn)換為地址和將地址轉(zhuǎn)換為名字的系統(tǒng)。與CIDR相像，DNS也有一個層級的結(jié)構(gòu)，使不同的名字空間可被再委托給其它DNS服務(wù)器。

　　域名系統(tǒng)經(jīng)常被描述為電話系統(tǒng)中的黃頁：在那里人們可以把名字和電話號碼對應(yīng)起來。

　　從20世紀(jì)80年代起，一個很明顯的問題是IPv4地址在以比設(shè)計時的預(yù)計更快的速度耗盡。這是創(chuàng)建分類網(wǎng)絡(luò)、無類型域間路由，和最終決定重新設(shè)計基于更長地址的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IPv6)的誘因。

　　一些市場力量也加快了IPv4地址的耗盡，如：

• 互聯(lián)網(wǎng)用戶的急速增長；

• 總是開著的設(shè)備：ADSL調(diào)制解調(diào)器、纜線調(diào)制解調(diào)器等；

• 移動設(shè)備：筆記本電腦、PDA、移動電話等。

　　隨著互聯(lián)網(wǎng)的增長，各種各樣的技術(shù)隨之產(chǎn)生以應(yīng)對IPv4地址的耗盡，如：

• 網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NAT)；

• 專用網(wǎng)絡(luò)的使用；

• 動態(tài)主機(jī)設(shè)置協(xié)議(DHCP)；

• 基于名字的虛擬主機(jī)；

• 區(qū)域互聯(lián)網(wǎng)注冊管理機(jī)構(gòu)對地址分配的控制；

• 對互聯(lián)網(wǎng)初期分配的大地址塊的回收。

　　隨著IANA把最后5個地址塊分配給5個RIR，其主地址池在2011年2月3日耗盡。許多地址分配和消耗的模型都預(yù)測第一個耗盡地址的RIR會在2011年的下半年出現(xiàn)。

　　廣泛被接受且已被標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案是遷移至IPv6。IPv6的地址長度從IPv4的32位增長到了128位，以此提供了更好的路由聚合，也為最終用戶分配最小為264個主機(jī)地址的地址塊成為可能。遷移過程正在進(jìn)行，但其完成仍需要相當(dāng)?shù)臅r間。