IPv4 — версия 4 протокола Интернет¶

IPv4 (англ. Internet Protocol version 4) — четвёртая версия сетевого протокола Интернета, определяющего формат пакетов данных и систему адресации устройств в IP-сетях. Является базовым протоколом стека TCP/IP и до сих пор доминирует в глобальной сети, несмотря на постепенное вытеснение более новой версией IPv6.

¶Основные характеристики

IPv4 описан в стандарте RFC 791, опубликованном Инженерным советом Интернета (IETF) в сентябре 1981 года. Автор протокола — Винтон Серф, разработавший его совместно с Робертом Каном в начале 1970-х годов в рамках исследовательского проекта ARPANET.

Ключевые параметры протокола:

• Длина адреса — 32 бита, что даёт примерно 4,3 миллиарда уникальных адресов (2³²).
• Формат записи — четыре десятичных числа от 0 до 255, разделённых точками (например, 192.168.1.1).
• Максимальный размер пакета — 65 535 байт, хотя на практике ограничивается значением MTU канала передачи.
• Тип сервиса — поле ToS (Type of Service) для приоритизации трафика.
• Время жизни — поле TTL (Time To Live), ограничивающее число маршрутизаторов, через которые может пройти пакет.

¶Адресное пространство

¶Классовое деление

Изначально адресное пространство IPv4 делилось на пять классов — A, B, C, D и E. Класс определялся старшим битом адреса и задавал размер сети:

Классовое деление было заменено бесклассовой схемой маршрутизации CIDR (Classless Inter-Domain Routing, RFC 1519, 1993 год), которая позволяет задавать префикс сети произвольной длины — от /1 до /32.

¶Исчерпание адресов

К 2011 году глобальный пул свободных IPv4-адресов был полностью распределён региональным интернет-регистраторам (ARIN, RIPE NCC, APNIC и др.). Основными причинами исчерпания стали массовое подключение домашних устройств, рост числа серверов и мобильных устройств, а также неэффективное распределение крупных блоков адресов в начале развития сети.

Для продления срока службы протокола были разработаны технологии:

• NAT (Network Address Translation) — трансляция сетевых адресов, позволяющая множеству устройств в локальной сети использовать один внешний IP-адрес.
• CGN (Carrier-Grade NAT) — операторская трансляция адресов на уровне провайдера.
• Приватные адресные пространства (RFC 1918) — зарезервированные диапазоны 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12 и 192.168.0.0/16 для использования в локальных сетях.

¶Структура пакета

Заголовок IPv4 состоит из 20 байт (при отсутствии опций) и содержит следующие поля:

1. Версия (4 бита) — всегда равно 4.
2. Длина заголовка (IHL, 4 бита).
3. Тип сервиса (8 бит).
4. Общая длина пакета (16 бит).
5. Идентификатор пакета (16 бит).
6. Флаги и смещение фрагмента (16 бит).
7. TTL (8 бит).
8. Протокол верхнего уровня (8 бит) — TCP, UDP, ICMP и др.
9. Контрольная сумма заголовка (16 бит).
10. IP-адрес отправителя (32 бита).
11. IP-адрес получателя (32 бита).
12. Опции (переменная длина, при наличии).

¶Фрагментация

При передаче пакета через сеть с меньшим MTU, чем размер пакета, происходит его фрагментация — разделение на части, каждая из которых передаётся отдельно и собирается на конечном узле. Поле «Флаги и смещение фрагмента» содержит биты DF (Don't Fragment — запрет фрагментации) и MF (More Fragments — присутствуют следующие фрагменты), а также смещение текущего фрагмента в исходном пакете.

¶Отличия от IPv6

Главное отличие IPv6 — адрес длиной в 128 бит (примерно 3,4 × 10³⁸ адресов), что полностью снимает проблему исчерпания адресного пространства. Другие отличия IPv6:

• Упрощённый заголовок фиксированной длины (40 бит).
• Обязательная поддержка IPSec.
• Отсутствие фрагментации на промежуточных маршрутизаторах.
• Автоконфигурация адресов (SLAAC).
• Поддержка multicast вместо broadcast.

¶Применение

IPv4 остаётся основным протоколом передачи данных в глобальной сети. По данным на 2020-е годы, более 70 % трафика интернета передаётся по IPv4, однако доля IPv6 стабильно растёт — крупные провайдеры, облачные сервисы и контент-платформы постепенно внедряют двойной стек (dual-stack), поддерживая обе версии протокола одновременно.

В России переход на IPv6 ведётся в соответствии с «Стратегией развития сетей и услуг связи нового поколения на территории РФ», утверждённой распоряжением Правительства РФ от 28 августа 2014 года № 1632-р. Крупнейшие российские операторы связи — «Ростелеком», МТС, «МегаФон» — предоставляют поддержку IPv6 на своих магистральных сетях.

¶Исторические факты

Первая коммерческая реализация IPv4 была внедрена в 1983 году при переходе ARPANET на стек TCP/IP — 1 января 1983 года считается днём «рождения» Интернета в его современном понимании. Адрес 0.0.0.0 зарезервирован для обозначения «любого адреса», а адрес 255.255.255.255 используется для широковещательных рассылок в пределах локальной сети.