IPv4：网络的基础
Source: Dev.to
什么是 IPv4？
IPv4 代表 Internet Protocol version 4（互联网协议第 4 版），用于在网络上标识设备。可以把它想象成设备的街道地址，使数据能够在浩瀚的互联网高速公路上发送到正确的位置。
- 与 MAC 地址（由制造商烧录在硬件中的地址）不同，IPv4 地址是由 DHCP 服务器（动态主机配置协议）动态分配的，或者可以由网络管理员手动设置。
- IPv4 地址是一个 32 位 地址，由四个 8 位字节组成，通常表示为四个用点分隔的十进制数字（例如 192.168.0.1）。这种格式大约提供 43 亿（4.3 billion）个可能的地址，正如你可能听说的，这已经不够用了。于是出现了 IPv6，一种拥有更大地址空间的新协议。
虽然 IPv4 正在逐步被 IPv6 取代，但它仍是全球互联网流量的骨干。
公共 vs. 私有 IP
在 IPv4 的世界中，IP 地址主要分为两大类：公共和私有。
- 私有 IP 地址 在本地网络（LAN）内部使用，不能在互联网上路由。它们被保留用于内部网络，能够通过确保网络内的设备无法直接被外部访问来提升安全性。常见的私有 IP 段包括 192.168.x.x、10.x.x.x 和 172.16.x.x – 172.31.x.x。
- 公共 IP 地址 用于标识可以直接从互联网访问的设备。当私有网络中的设备需要访问互联网时，NAT（网络地址转换） 会发挥作用。NAT 将私有 IP 地址转换为公共 IP 地址，从而使设备能够与外部服务通信。
例如，当你在终端输入 ping google.com 时，设备的私有 IP 地址会通过路由器的 NAT 功能转换为公共 IP，随后请求就能到达外部网络。
IPv4 路由基础
IPv4 是一种 无连接协议，这意味着每个数据包都是独立发送的，可能会走不同的路径到达目的地。它仅提供 尽力而为的交付；可靠性由更高层的协议（如 TCP（传输控制协议））处理。
数据包如何从你的设备到达正确的目的地？ 这就是 路由 的作用。路由器在不同网络之间转发数据包，使用路由协议根据 跳数、网络负载、带宽 等因素决定最佳路径。
路由的一个重要方面是它依赖 层次结构 来进行寻址。IPv4 地址分为两个主要部分：
- 网络部分 – 标识设备所属的特定网络，帮助路由器知道应走哪条路径才能到达目标网络。
- 主机部分 – 标识该网络内的具体设备。数据包到达正确网络后，会根据这部分地址转发到相应的设备。
IPv4 是如何工作的？
让我们看一个真实的例子。假设你想联系本地网络中 IP 地址为 10.1.1.2 的设备。
- 路由器检查目标地址的 网络部分（前面三个八位字节：10.1.1）。
- 它将数据包转发到相应的网络。
- 数据包到达该网络后，路由器使用 主机部分（最后一个八位字节：.2）来识别具体设备并递送数据。
如果你在互联网上进行通信，过程类似，只是会有更多的跳转，因为路由器会检查网络部分以确定到达目标网络的最佳路径，然后再检查主机部分将数据包送到正确的设备。
IPv4 地址格式
IPv4 地址写作 四个十进制数字，用句点分隔，例如 10.1.1.1。每个数字代表 一个字节（或 8 位），取值范围为 0 到 255。因此，32 位的 IPv4 地址由四个 8 位段组成：
- 10 – 8 位
- 1 – 8 位
- 1 – 8 位
- 1 – 8 位
这使得 超过 40 亿 的唯一地址成为可能，但正如你所想，这已经不够用了。设备和互联网使用的指数级增长导致了 IPv4 地址枯竭。
为什么引入 IPv6
IPv6 的引入是为了满足对几乎无限数量地址的需求。
摘要
IPv4 可能正逐渐退出历史舞台，但它仍是当今互联网运作的核心组成部分。从通过 DHCP 动态分配地址，到将私有 IP 转换为公共 IP 以实现互联网访问，IPv4 在网络中发挥着关键作用。它是全球路由、地址分配和数据传输的骨干。