IPv4 (Internet Protocol version 4) 是互联网协议家族（TCP/IP 协议族）中最核心的协议之一，也是当前互联网上使用最广泛的协议。它位于 OSI 模型的网络层（第三层），负责在复杂的互联网中数据包的寻址和路由。IPv4 定义了数据包的格式以及在网络中传输和转发的机制，使得不同网络中的设备能够相互通信。尽管其地址耗尽问题催生了 IPv6，但 IPv4 仍是支撑全球互联网运行的基石。

核心思想：在互联网这个异构网络中，为每个连接的设备提供一个唯一的逻辑地址，并设计一种数据包转发机制，确保数据能从源头准确无误地传输到目的地。

一、什么是 IPv4？

IPv4 是互联网协议的第四个版本。它是一种无连接的协议，意味着每个数据包都独立发送，不保证顺序或可靠性（这些由上层协议如 TCP 负责）。IPv4 的主要职责包括：

  • 寻址 (Addressing)：为网络上的每个设备分配一个唯一的 32 位数字地址（IP 地址），用于标识设备。
  • 路由 (Routing)：根据数据包的目的 IP 地址，决定数据包在网络中传输的最佳路径，并将其转发到下一个路由器。
  • 分片 (Fragmentation)：当数据包大小超过了网络路径中链路的最大传输单元 (MTU) 时，IPv4 会将数据包分割成更小的片段进行传输，并在目的地重新组装。

二、IPv4 地址

IPv4 地址是一个 32 位的二进制数字，通常以点分十进制 (Dotted Decimal Notation) 的形式表示，例如 192.168.1.1。

2.1 地址结构

一个 IPv4 地址被分为四个 八位字节 (octet)，每个八位字节的取值范围是 0 到 255。

  • 32 位：这决定了 IPv4 地址空间的总量为 $2^{32} \approx 4.3$ 亿个地址。
  • 点分十进制：为了方便人类阅读和记忆，我们将 32 位二进制地址每 8 位分为一组，转换为十进制数字，并用点号隔开。

示例：
二进制：11000000.10101000.00000001.00000001
十进制：192.168.1.1

2.2 IP 地址的组成：网络部分和主机部分

一个 IP 地址包含两部分信息：

  1. 网络部分 (Network Portion)：标识设备所属的网络。在同一个网络中的设备，其 IP 地址的网络部分是相同的。
  2. 主机部分 (Host Portion)：标识网络中的具体设备。在同一个网络中，每台设备的 IP 地址的主机部分是唯一的。

如何区分网络部分和主机部分？这需要子网掩码 (Subnet Mask)。

2.3 子网掩码 (Subnet Mask)

子网掩码也是一个 32 位的二进制数字，与 IP 地址对应。它的作用是：

  • 网络部分的标识：子网掩码中，连续的 1 对应 IP 地址的网络部分。
  • 主机部分的标识：子网掩码中，连续的 0 对应 IP 地址的主机部分。

子网掩码通常也以点分十进制表示，例如 255.255.255.0。
或者使用 CIDR (Classless Inter-Domain Routing) 表示法，即在 IP 地址后面加上斜杠和网络部分的位数，例如 192.168.1.1/24。/24 表示网络部分有 24 位。

示例：
IP 地址：192.168.1.1
子网掩码：255.255.255.0 (CIDR: /24)

  • 192.168.1 是网络部分。
  • 1 是主机部分。

2.4 网络地址和广播地址

在任何一个子网中，有两个特殊的 IP 地址不能分配给主机：

  • 网络地址 (Network Address)：主机部分全为 0 的地址。它代表整个子网，用于路由表中标识子网。
    • 例如：192.168.1.0/24 中的 192.168.1.0。
  • 广播地址 (Broadcast Address)：主机部分全为 1 的地址。向此地址发送的数据包会发送到该子网内的所有设备。
    • 例如：192.168.1.0/24 中的 192.168.1.255。

2.5 IP 地址分类 (历史遗留)

在 CIDR 出现之前，IPv4 地址被划分为不同的类别 (Class A, B, C, D, E)。虽然现在已不再严格使用分类，但了解它们有助于理解网络历史和某些概念：

  • A 类地址：网络部分 8 位，主机部分 24 位。 (第一位为 0)
    • 1.0.0.0 - 126.255.255.255
    • 默认子网掩码：255.0.0.0 (/8)
    • 适用于大型网络。
  • B 类地址：网络部分 16 位，主机部分 16 位。 (前两位为 10)
    • 128.0.0.0 - 191.255.255.255
    • 默认子网掩码：255.255.0.0 (/16)
    • 适用于中型网络。
  • C 类地址：网络部分 24 位，主机部分 8 位。 (前三位为 110)
    • 192.0.0.0 - 223.255.255.255
    • 默认子网掩码：255.255.255.0 (/24)
    • 适用于小型网络。
  • D 类地址：组播地址 (Multicast)。 (前四位为 1110)
    • 224.0.0.0 - 239.255.255.255
  • E 类地址：保留地址，用于研究。 (前四位为 1111)
    • 240.0.0.0 - 255.255.255.255

2.6 私有 IP 地址和公共 IP 地址

为了缓解 IPv4 地址枯竭问题，IETF 定义了以下私有 IP 地址范围，这些地址只能在本地局域网 (LAN) 内部使用，不能在互联网上直接路由。

  • A 类私有地址：10.0.0.0 - 10.255.255.255 (即 10.0.0.0/8)
  • B 类私有地址：172.16.0.0 - 172.31.255.255 (即 172.16.0.0/12)
  • C 类私有地址：192.168.0.0 - 192.168.255.255 (即 192.168.0.0/16)

公共 IP 地址 (Public IP Address) 则是由 ISP (互联网服务提供商) 分配的，可以在互联网上直接访问和路由的全球唯一地址。

NAT (Network Address Translation - 网络地址转换) 技术允许多个使用私有 IP 地址的设备共享一个或少数几个公共 IP 地址访问互联网。

2.7 特殊的 IPv4 地址

  • 0.0.0.0：
    • 在路由表中，表示默认路由，即“任何地址”。
    • 在服务器监听端口时，表示“监听所有可用接口上的指定端口”。
  • 127.0.0.1：回环地址 (Loopback Address)。用于指代本机，通常用于测试网络服务。
  • 255.255.255.255：受限广播地址，用于向当前网络发送广播，但不会被路由器转发。

三、IPv4 数据报文格式

IPv4 数据报文由头部 (Header) 和数据部分 (Payload/Data) 组成。头部包含控制信息，数据部分是上层协议（如 TCP、UDP）的数据。

IPv4 头部字段解释：

  • 版本 (Version) (4 bits)：永远是 0100，表示 IPv4。
  • IHL (Internet Header Length) (4 bits)：IPv4 头部长度，以 32 位字 (4 字节) 为单位。最小值是 5 (20 字节)，最大值是 15 (60 字节)。
  • 服务类型 (Type of Service/DSCP) (8 bits)：用于 QoS (服务质量)。
  • 总长度 (Total Length) (16 bits)：整个 IPv4 数据报文的长度（头部 + 数据），以字节为单位。最大长度为 65535 字节。
  • 标识 (Identification) (16 bits)：用于唯一标识一个原始数据报文。当数据报文被分片时，所有片段都使用相同的标识号，以便在目的地正确重组。
  • 标志 (Flags) (3 bits)：
    • 第 0 位（Reserved）：保留，必须为 0。
    • 第 1 位（Don’t Fragment - DF）：如果设置为 1，则表示该数据报文不允许被分片。如果路由器必须分片才能转发，就会丢弃该数据报文并返回一个 ICMP 错误。
    • 第 2 位（More Fragments - MF）：如果设置为 1，表示后面还有该数据报文的更多片段。最后一个片段的 MF 位为 0。
  • 片偏移 (Fragment Offset) (13 bits)：表示该片段在原始数据报文中的相对位置，以 8 字节为单位。
  • 生存时间 (Time To Live - TTL) (8 bits)：数据报文在网络中可以经过的最大跳数（路由器数）。每经过一个路由器，TTL 值减 1。当 TTL 减到 0 时，路由器会丢弃该数据报文并返回一个 ICMP 错误，防止数据报文在网络中无限循环。
  • 协议 (Protocol) (8 bits)：标识数据部分承载的上层协议类型，例如：
    • 1：ICMP (Internet Control Message Protocol)
    • 6：TCP (Transmission Control Protocol)
    • 17：UDP (User Datagram Protocol)
  • 头部校验和 (Header Checksum) (16 bits)：仅对 IPv4 头部进行校验，确保头部在传输过程中没有损坏。每经过一个路由器，TTL 会改变，校验和也必须重新计算。
  • 源 IP 地址 (Source IP Address) (32 bits)：发送数据报文的设备的 IP 地址。
  • 目的 IP 地址 (Destination IP Address) (32 bits)：接收数据报文的设备的 IP 地址。
  • 选项 (Options) (0-40 字节)：不常用，用于扩展 IPv4 头部功能，例如记录路径、时间戳等。
  • 填充 (Padding)：如果选项字段的长度不足 32 位字的倍数，会用 0 填充到 32 位字的倍数，以保证头部长度是 32 位字的整数倍。

四、IP 地址的获取方式

设备获取 IP 地址主要有以下几种方式：

  1. 静态配置 (Static IP)：手动为设备配置 IP 地址、子网掩码、默认网关和 DNS 服务器。适用于服务器、路由器等需要固定地址的设备。
  2. DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)：动态主机配置协议。客户端设备在启动时自动向 DHCP 服务器请求 IP 地址和其他网络配置信息。这是大多数普通用户设备（PC、手机）获取 IP 地址的方式。
  3. PPPoE (Point-to-Point Protocol over Ethernet)：以太网上的点对点协议。通常用于 ADSL 或光纤宽带拨号上网，通过用户名和密码进行认证，然后由运营商分配公共 IP 地址。

五、IPv4 路由

IP 路由是根据目标 IP 地址选择数据包转发路径的过程。

  1. 直接连接网络：如果数据包的目的 IP 地址与发送设备在同一个子网内，设备会直接通过二层协议（如 ARP 解析 MAC 地址）将数据包发送给目标设备。
  2. 间接连接网络：如果目的 IP 地址不在本子网内，发送设备会将数据包发送给默认网关 (Default Gateway) (通常是局域网中的路由器)。
  3. 路由器转发：路由器接收到数据包后，会查询其路由表 (Routing Table)。路由表包含了目的地网络和到达该目的地的下一跳 (Next Hop) 地址的映射关系。
    • 如果找到匹配的路由，路由器会将数据包转发给下一跳路由器。
    • 如果找不到特定匹配，路由器会发送给默认路由（如果有配置）。
    • 如果都找不到，数据包将被丢弃。
  4. TTL 机制：TTL 字段确保数据包不会在网络中无限循环，一旦 TTL 归零即被丢弃。

六、IPv4 地址枯竭问题

IPv4 地址空间总共只有约 4.3 亿个地址。随着互联网用户的爆炸式增长以及物联网设备的不断涌现，IPv4 地址的枯竭问题日益严重。虽然 NAT 技术在一定程度上缓解了这个问题，但它并非长久之计，且增加了网络复杂性。

解决策略：

  1. CIDR (Classless Inter-Domain Routing)：无类别域间路由，取代了传统的 A/B/C 类地址划分，允许更灵活地分配 IP 地址块，有效提高了地址利用率。
  2. NAT (Network Address Translation)：网络地址转换，允许多个私有 IP 地址的设备共享少数几个公共 IP 地址访问互联网。
  3. IPv6 (Internet Protocol version 6)：提供 128 位地址空间，理论上地址数量为 $2^{128}$，旨在彻底解决 IPv4 地址枯竭问题，并提供更优的功能。目前 IPv4 和 IPv6 正在共存并逐步过渡。

七、总结

IPv4 作为互联网的核心协议，成功地支撑了全球信息网络的蓬勃发展。它通过 32 位的逻辑地址和健全的路由机制，实现了全球范围内的设备互联。尽管面临地址枯竭的挑战，并逐渐被 IPv6 所替代，但深入理解 IPv4 的地址结构、子网划分、报文格式和路由原理，依然是所有网络工程师和开发者掌握网络基础知识的基石。在很长一段时间内，IPv4 仍将与 IPv6 并存，共同构成我们所依赖的互联网。