什么是 IPv4？

IPv4（互联网协议第 4 版）是互联网协议寻址系统的第四个版本，用于帮助设备在网络上进行通信。IPv4 是一种寻址系统（类似于街道地址），用于在互联网上将数据路由至特定设备。IPv4 地址资源已耗尽，因此出现了一些变通方案，如子网掩码和网络地址转换（NAT）。IPv6（第 6 版）旨在扩展互联网连接设备的地址空间，并提供 IPsec 支持等新功能，最终将取代 IPv4。

IPv4 支持计算机、手机、物联网设备以及其他连接到网络的设备之间进行数据通信。通常，当设备发送 IP 数据包时，路由器会查找网络地址和主机地址，并将数据包路由至目的地。作为传输控制协议/网际协议（TCP/IP）的一部分，IPv4 至今仍是当今互联网流量中广泛使用的路由协议。以下是 IPv4 的关键组成部分。

寻址

IPv4 地址格式为 32 位数字地址，由四组八位字节组成，各组之间用小数点分隔。一个八位字节包含 8 位或 1 字节的信息。每个八位字节的取值范围在 0 到 255 之间。设备和网络硬件利用 IPv4 地址来识别应接收 IPv4 数据包的计算机。以下是有效的 IPv4 地址示例。

• 172.16.0.5
• 10.0.0.25
• 192.168.1.1

网络和主机

您可以使用子网掩码将 IPv4 地址划分为网络前缀和主机号。可以将 IP 地址中的主机部分和网络部分类比为电话号码中的区号和号码末尾部分。

例如，您计算机的 IP 地址可能是 192.168.1.104。在本例中：

• 192.168.1.0 是网络地址
• 104 是主机地址

路由器利用网络部分将 IP 数据包路由至正确的网段。随后，最后一跳路由器识别主机部分，并将数据包传送给您的计算机。

有类寻址与无类寻址

有类寻址是一种根据网络和主机规模将 IPv4 地址划分为若干组的方法。每种 IPv4 类别都有其特定的应用场景。

• A 类地址专为大型网络设计。第一个八位字节标识网络，其余三个八位字节定义主机。对于 A 类地址，网络部分的起始位以 0 开头，可提供 126 个可用网络地址，每个网络支持约 1600 万台主机。
• B 类地址专为中大型网络设计。前两个八位字节标识网络，后两个八位字节标识主机。对于 B 类地址，网络部分的起始位以 10 开头，可提供超过 16000 个网段，每个网段支持约 65000 台主机。
• C 类地址专为局域网设计。前三个字节标识网络，最后一个字节标识主机。对于 C 类地址，网络部分的起始位以 110 开头，可提供超过 200 万个网段，每个网段最多支持 254 台主机。
• D 类地址保留用于组播寻址。其第一个字节以 1110 开头。
• E 类地址保留供将来使用。其第一个字节以 1111 开头。

无类寻址（也称为无类域间路由，即 CIDR）是一种更灵活的寻址方式，能够减缓 IPv4 地址空间耗尽的速度。使用有类寻址时，可能会导致地址闲置浪费。CIDR 通过为 IPv4 地址分配可变长度的子网掩码或前缀，减少了未使用的地址。前缀用于告知设备哪些位代表网络地址。例如，192.168.1.10/25 使用前 25 位作为网络地址，而不是 C 类寻址中通常分配的 24 位。

子网掩码

子网掩码使网络设备（如路由器）能够区分 IPv4 地址中的网络部分和主机部分。子网掩码的格式与 IP 地址类似。以二进制形式表示时，1 表示网络部分，0 表示主机地址部分。

例如，您可以将家用路由器的子网掩码设置为 255.255.255.0。当路由器接收到 IP 数据包时，它会将前三个字节识别为网络地址，将第四个字节识别为主机地址。

网络地址转换 (NAT)

网络地址转换（NAT）是一种允许专用网络内的设备使用单个共享 IP 地址连接到互联网的方法。NAT 能够向互联网隐藏连接到局域网的设备。当计算机向路由器发送数据包时，路由器会将该计算机的本地 IP 地址替换为自身的公网地址。随后，它将数据包发送给互联网上的其他设备或服务器。NAT 能在一定程度上减缓公网 IPv4 地址耗尽的速度。

广播和组播

广播是一种数据传输方式，设备利用特定地址向所有已连接的设备发送 IP 数据包。例如，192.168.1.255 是局域网的广播地址。而组播则允许设备向一组已注册加入该组播组的设备发送数据。

私有地址空间和公有地址空间

私有地址空间是指预留给局域网使用的某个 IP 地址范围。除非使用具备 NAT 功能的路由器，否则使用私有地址的设备无法与已连接互联网的设备进行通信。公网地址空间则是指由互联网服务提供商分配的 IP 地址。这些是全球唯一的 IP 地址，供设备在连接互联网时使用。

IPv4 在互联网的发展过程中发挥了至关重要的作用。但是，各机构在继续使用该路由协议时面临多项挑战。

地址容量

所有 IPv4 地址空间均已由互联网号码分配局（IANA）分配给区域服务提供商。由于可用地址空间仅略多于 43 亿个，因此互联网服务提供商（ISP）无法为日益增多的联网设备分配唯一地址。为了支持新设备，服务提供商必须回收未使用的地址空间。

安全注意事项

IPv4 未配备强制性的加密和身份验证机制。在发送数据时，网络工程师必须采用额外的安全措施（如 IPSec）来保障数据交换的安全。

网络复杂性

受限于地址容量，IPv4 需要采用 NAT（网络地址转换）等复杂的路由方法来支持更多设备。NAT 通过路由表将公有地址和私有地址区分开来，这增加管理工作量。

性能

IPv4 数据包在路由过程中可能会经过多个路由器，从而导致延迟增加。此外，网络硬件在发送 IPv4 数据包时，可能会将其拆分为较小的分片。目标计算机需要花费更多时间来重组这些分片数据包。

IPv4 和 IPv6 允许计算机通过将数据包路由到唯一地址，向一个或多个设备发送信息。不过，这两种协议在多个方面存在差异。

地址空间

互联网协议第 4 版（IPv4）支持多达 2³²（即 4,294,967,296）个 IP 地址。相比之下，IPv6 通过将地址空间扩展到 2¹²⁸（即大约 340 涧个唯一标识符），提供极其庞大的地址空间。

命名标准

IPv4 使用点分十进制表示法，将四组 8 位数字分隔开来以构成数字地址，例如 192.168.1.25。相比之下，IPv6 地址由八组十六进制数字构成，各组之间用冒号分隔，例如：2001:0bd8:85a3::8a2e:0370:7334。

通信类型

这两种协议都支持单播寻址。不过，IPv4 利用广播和组播寻址来实现一对多通信，而 IPv6 则使用任播和组播数据包来达到同样的效果。

网络地址转换

由于地址空间有限，IPv4 采用网络地址转换（NAT）技术，使私有网络内的多个设备能够共用一个公网 IP 地址。反之，IPv6 无需 NAT，因为它能为每台设备提供近乎无限的地址资源。

安全性

在 IPv4 环境下，保护数据包需要额外的步骤。而在 IPv6 中，设备可以利用内置的 IPSec 协议来协助保护数据（该协议在具体实现中为可选）。

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