IPv4是一套规则，管理设备在网络（包括互联网）上的通信方式。
简单来说，它允许设备相互查找并交换数据。
IPv4使用32位地址，因此，它将唯一地址的总数限制为大约43亿。虽然看起来很多，但互联网的增长最终耗尽了IPv4地址。然而，它在行业中广泛使用，与其继任者IPv6一起使用。
因此，让我们来看看IPv4，并进一步了解它。
IPv4地址的结构
IPv4地址的结构
将IPv4地址想象成由点分隔的四部分代码。每个部分称为一个八位字节，是一个8位的数字，表示0到255之间的值（因为2的8次方等于256）。
八位字节及其值的解释：
- 每个八位字节对整体唯一标识符做出贡献。
- 每个八位字节的值只能在0到255之间，以十进制（base-10）表示。
网络部分与主机部分：
一个IPv4地址分为两个部分：
- 网络部分（NetID）：初始八位字节标识设备所属的网络。可以将其看作是一个社区代码。
- 主机部分（HostID）：剩余的八位字节指定网络中的特定设备。可以将其想象成社区内的房屋编号。
网络部分和主机部分之间的划分由子网掩码决定。我们将在接下来探讨这一点。
子网掩码在地址分配中的作用
子网掩码定义了IPv4地址中有多少位属于网络部分，有多少位属于主机部分。它像一个过滤器，告诉我们地址的哪些部分标识网络，哪些部分标识个别设备。
例如，一个常见的子网掩码是255.255.255.0。
在这里，掩码中的每个八位字节都是255，转换成二进制表示全是1。由于掩码中的1对应于地址的网络部分，这个掩码为网络分配了前三个八位字节（24位），最后一个八位字节（8位）用于标识该网络中的主机。
通过使用子网掩码，我们可以在一个大网络中创建子网络，从而更有效地分配特定域内的IP地址。
IPv4的功能
除了唯一的设备标识，IPv4还有多个功能。因此，让我们分解其主要功能：
1. 分片
IPv4包括分片机制，如果数据包大小超过网络或设备的限制，则将其分成较小的片段。这些片段由接收方重新组装，以重建原始数据包。
2. 服务处理
IPv4支持各种服务处理选项，包括服务质量（QoS）和差分服务（DiffServ）。这些功能使根据应用需求或服务类型对数据包进行优先级排序和分组成为可能。
3. 路由
IPv4促进了路由过程，通过互连网络将数据包从源地址传送到目的地。路由器利用IP地址信息来确定数据包传递的最佳路径。
4. 网络地址转换（NAT）
NAT是一种IPv4采用的技术，将本地网络中使用的私有IP地址转换为连接互联网时的公共IP地址。这使本地网络中的多个设备共享单个公共IP地址，缓解了IP地址短缺的问题。
5. 确保跨网络的端到端通信
以下是IPv4如何确保端到端通信：
- 唯一地址：每个设备都有一个唯一的IP地址，作为其在网络上的标识。
- 路由协议：路由器使用路由协议共享有关连接网络和最佳路径的信息，创建一个广泛的互联网地图。
- 数据包转发：路由器根据目标IP智能地转发数据包，确保它们高效地穿越网络。
使用IPv4的好处
IPv4在行业中有很多优势。以下是其一些主要优点：
简单和高效
- 更快的处理速度：IPv4数据包头的大小较小，意味着路由器可以更快地处理它们，从而实现更顺畅的数据流。
- 更容易的网络管理：更简单的结构使IPv4网络的配置和故障排除不那么复杂。
广泛的采用和兼容性
- 通用连接性：几乎所有在线设备和服务都使用IPv4，确保无缝通信和访问。
- 无需兼容性担忧：您可以连接到任何IPv4网络，而不会有兼容性问题。
成熟的技术
- 经过验证的可靠性：多年的使用使IPv4成为网络基础设施中可靠且稳健的技术。
- 成熟的知识基础：多年的经验形成了定义明确的最佳实践、工具和专业知识，便于IPv4的使用。
广播功能
- 高效的网络通信：广播消息可以一次发送到网络上的所有设备，简化了网络公告或发现等任务。
IPv4的挑战和局限性
然而，需要注意的是，IPv4对于现代使用有一个大的局限性。以下是其一些主要挑战：
地址空间限制
如前所述，IPv4提供了大约43亿个唯一地址，这在互联网早期似乎已经足够。然而，随着包括智能手机、平板电脑和物联网设备在内的互联网连接设备的快速增长，这一数量不再足以满足全球对唯一IP地址的需求。
这一限制导致了诸如网络地址转换（NAT）等解决方案的需求。NAT允许本地 网络上的多个设备共享一个公共IP地址。虽然这似乎有效，但NAT会使某些类型的互联网通信变得复杂，并且并没有解决地址耗尽的根本问题。
安全问题
IPv4设计于互联网安全并非主要关注点的时代。因此，它缺乏内置的安全功能，使其容易受到包括IP欺骗和拒绝服务（DoS）攻击在内的各种攻击。
这导致了诸如IPSec等额外安全协议的发展，以在IP层提供保密性、完整性和认证。然而，这些是可选的，并未固有集成到IPv4中，留下潜在的安全漏洞。
路由效率和可扩展性
由于IP地址和块的分配和路由方式，IPv4路由基础设施可能效率低下。这可能导致路由表变大，路由器处理时间增加，最终导致互联网速度变慢。
从IPv4向前发展
为了应对这些挑战，互联网正在逐步向IPv6过渡，IPv6提供了大幅增加的地址空间（2^128个唯一地址）、内置的安全功能、更高效的路由、改进的QoS能力和自动地址配置。
然而，这一过渡是一个缓慢且持续的过程，需要重大的基础设施变更和投资。
因此，为了帮助改善从IPv4向IPv6的过渡过程，许多网络团队采用以下技术：
- 双栈网络：此方法涉及在网络上同时运行IPv4和IPv6。设备可以使用它们支持的任何协议进行通信，从而促进平稳过渡。
- 隧道：此技术将IPv6数据包封装在IPv4数据包中，允许它们通过现有的IPv4基础设施传输。
- 转换机制：这些协议在IPv4和IPv6地址之间进行转换，使使用不同协议的设备之间能够通信。
如果您正在过渡到IPv6，考虑采用上述一种机制以简化过程。
结论
IPv4为互联网的增长奠定了基础。它为设备提供了唯一标识符，使本地和全球网络间的通信成为可能。这一创新对于互联网的早期发展至关重要。
然而，IPv4的地址空间有限，随着互联网设备的快速增长成为了一个问题。设备和网络的快速增长超出了可用地址的数量。这一稀缺性促使了IPv6的发展，这是一种128位系统，提供了大量的地址。
向IPv6过渡对于满足不断增长的互联网需求至关重要。它确保每个设备都可以有一个唯一地址，促进互联网的进一步扩展和创新。
如果您当前使用IPv4，本文强调了考虑向IPv6过渡的重要性，以确保您的网络具备未来功能。
