IPv4-адреса

IPv4-адрес (Internet Protocol version 4 address) — это числовой идентификатор (адрес) устройства в компьютерной сети, работающей по протоколу IPv4. Относится к классу сетевых адресов стека протоколов TCP/IP. Представляет собой 32-битное (4-байтное) число, которое для удобства восприятия записывается в виде четырёх десятичных чисел (октетов), разделённых точками, например: 192.168.1.1. Каждый октет может принимать значения от 0 до 255. IPv4-адреса являются основой адресации в сети Интернет, обеспечивая уникальную идентификацию каждого интерфейса (например, сетевой карты компьютера, маршрутизатора или сервера), подключённого к сети.

История

Разработка протокола IPv4 началась в 1970-х годах в рамках проекта ARPANET, финансируемого Министерством обороны США. Первая спецификация протокола была опубликована в 1981 году в документе RFC 791 (Internet Protocol). В 1983 году протокол IPv4 был внедрён в ARPANET, заменив более ранний протокол NCP. С этого момента IPv4 стал основным протоколом для передачи данных в объединённых сетях.

Изначально предполагалось, что 32-битного адресного пространства (около 4,3 миллиарда адресов) будет достаточно для всех подключённых устройств. Однако стремительный рост Интернета в 1990-х годах, появление мобильных устройств и «интернета вещей» привели к исчерпанию пула свободных адресов. Ключевые даты:

1993 год — введение бесклассовой адресации (CIDR) для более эффективного использования адресного пространства.
1996 год — начало разработки протокола IPv6 с 128-битным адресом.
2011 год — IANA (Internet Assigned Numbers Authority) выделила последние блоки IPv4-адресов региональным интернет-регистраторам (RIR).
2012 год — RIPE NCC (региональный регистратор для Европы, Ближнего Востока и Центральной Азии) исчерпал пул свободных адресов.
2022 год — в России и других странах активно используется трансляция адресов (NAT) и переход на IPv6, однако IPv4 остаётся доминирующим протоколом.

Структура и формат

Двоичное представление

IPv4-адрес — это 32-битное число. В двоичной системе оно записывается как последовательность из 32 бит, разделённых на 4 октета по 8 бит. Например, адрес 192.168.1.1 в двоичной форме: 11000000.10101000.00000001.00000001.

Десятичная запись

Стандартная форма записи (dotted decimal notation) — четыре десятичных числа, разделённых точками. Каждое число соответствует одному октету. Минимальное значение — 0.0.0.0, максимальное — 255.255.255.255.

Маска подсети

Маска подсети (subnet mask) — 32-битное число, которое определяет, какая часть адреса относится к сети (network portion), а какая — к узлу (host portion). Маска записывается в том же формате, что и IP-адрес, например: 255.255.255.0. Также используется префиксная запись (CIDR notation), где после адреса через косую черту указывается количество единичных бит в маске, например: 192.168.1.0/24 (маска 255.255.255.0).

Классификация

Классовая адресация (classful networking)

Изначально адреса делились на классы (A, B, C, D, E), определяемые по первым битам адреса:

Класс A (0.0.0.0 — 127.255.255.255): первый октет от 0 до 127 (первые 8 бит — сеть, остальные 24 — узлы). Поддерживает до 16 777 214 узлов в одной сети.
Класс B (128.0.0.0 — 191.255.255.255): первый октет от 128 до 191 (первые 16 бит — сеть, остальные 16 — узлы). Поддерживает до 65 534 узлов.
Класс C (192.0.0.0 — 223.255.255.255): первый октет от 192 до 223 (первые 24 бита — сеть, остальные 8 — узлы). Поддерживает до 254 узлов.
Класс D (224.0.0.0 — 239.255.255.255): зарезервирован для многоадресной рассылки (multicast).
Класс E (240.0.0.0 — 255.255.255.255): зарезервирован для экспериментальных целей.

Бесклассовая адресация (CIDR)

С 1993 года классовая адресация была заменена бесклассовой (Classless Inter-Domain Routing, CIDR). CIDR позволяет гибко делить адресное пространство на подсети произвольного размера, используя маску переменной длины. Это повысило эффективность использования адресов.

Частные (RFC 1918) и публичные адреса

Для использования в локальных сетях (не в глобальном Интернете) зарезервированы следующие диапазоны частных адресов:

10.0.0.0/8 (10.0.0.0 — 10.255.255.255)
172.16.0.0/12 (172.16.0.0 — 172.31.255.255)
192.168.0.0/16 (192.168.0.0 — 192.168.255.255)

Эти адреса не маршрутизируются в глобальном Интернете и используются внутри организаций и домашних сетей. Для выхода в Интернет такие адреса транслируются через NAT (Network Address Translation) в публичный адрес.

Публичные (глобальные) адреса уникальны во всём Интернете и выделяются региональными интернет-регистраторами (RIR) провайдерам и организациям.

Специальные адреса

0.0.0.0/8 — адреса для обозначения «этой» сети (обычно используется как адрес источника при старте устройства).
127.0.0.0/8 — loopback (петля обратной связи), используется для тестирования стека протоколов на локальном устройстве. Наиболее известен адрес 127.0.0.1.
169.254.0.0/16 — link-local (автоматическая настройка без DHCP), используется в Windows и других ОС при отсутствии DHCP-сервера.
224.0.0.0/4 — multicast (многоадресная рассылка).
240.0.0.0/4 — зарезервировано для будущих протоколов.
255.255.255.255 — broadcast (широковещательный адрес) для текущей сети.

Принципы работы

Маршрутизация

IPv4-адреса используются маршрутизаторами для принятия решений о пересылке пакетов. Маршрутизатор анализирует адрес назначения в заголовке пакета и сравнивает его с записями в таблице маршрутизации. Если адрес принадлежит локальной сети, пакет доставляется напрямую; если нет — пересылается на следующий маршрутизатор (шлюз).

Протокол ARP

Для передачи данных на канальном уровне (например, Ethernet) необходимо знать MAC-адрес устройства. Протокол ARP (Address Resolution Protocol) используется для сопоставления IPv4-адреса с MAC-адресом в пределах одной локальной сети.

DHCP

Протокол DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) автоматически назначает IPv4-адреса устройствам в сети. DHCP-сервер выделяет адрес из пула, задаёт маску подсети, шлюз по умолчанию и DNS-серверы. Это упрощает администрирование сетей.

Исчерпание адресов и переход на IPv6

К 2011 году пул свободных IPv4-адресов был исчерпан на уровне IANA. Региональные регистраторы (RIR) также исчерпали свои запасы к 2015 году. Это привело к следующим последствиям:

Широкое использование NAT — провайдеры и организации используют трансляцию адресов, чтобы несколько устройств в локальной сети могли выходить в Интернет через один публичный адрес.
Рынок IPv4-адресов — адреса стали продаваться и сдаваться в аренду. Цены на блоки адресов выросли.
Переход на IPv6 — протокол IPv6 с 128-битным адресом (около 3,4×10^38 адресов) разработан для решения проблемы нехватки адресов. Внедрение IPv6 идёт медленно, но в ряде стран (например, в Индии, Бельгии, США) его доля превышает 50 %. В России доля IPv6-трафика составляет около 10–15 % (по данным на 2024 год).

Применение

IPv4-адреса используются повсеместно:

Интернет-провайдеры — выделяют публичные адреса клиентам (часто через NAT).
Корпоративные сети — используют частные адреса для внутренней коммуникации.
Домашние сети — маршрутизаторы назначают адреса из диапазона 192.168.x.x.
Облачные сервисы — виртуальные машины и контейнеры получают как публичные, так и частные IPv4-адреса.
IoT-устройства — многие устройства «интернета вещей» работают через IPv4, хотя IPv6 предпочтительнее.

Интересные факты

Максимальное количество уникальных IPv4-адресов — 2^32 = 4 294 967 296. Однако из-за зарезервированных блоков (частные, multicast, loopback) реально доступно для публичного использования около 3,7 миллиарда адресов.
Адрес 127.0.0.1 называется «localhost» и используется для обращения к собственному компьютеру.
В 2019 году блок адресов 1.0.0.0/8 (бывший зарезервированный) был передан в коммерческое использование.
Некоторые организации владеют огромными блоками адресов, например, Министерство обороны США владеет блоком 6.0.0.0/8 (около 16,8 миллиона адресов).
В России существует реестр IPv4-адресов, ведение которого осуществляется Координационным центром национального домена сети Интернет (КЦ).

Источники

RFC 791 — Internet Protocol (1981)
RFC 1918 — Address Allocation for Private Internets (1996)
RFC 4632 — Classless Inter-domain Routing (CIDR) (2006)
RFC 5735 — Special-Use IPv4 Addresses (2010)
IANA — IPv4 Address Space Registry
RIPE NCC — IPv4 Address Report
Координационный центр национального домена сети Интернет (КЦ) — статистика по адресам в РФ

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →