IPv4: что это такое?

Интернет – сеть, предназначенная для обмена данными. Поиск энциклопедических статей, музыки, видео, фильмов, прием и отправка сообщений – все это варианты информационного обмена. Вообразить современный мир без интернета невозможно, однако, далеко не каждый пользователь имеет даже приблизительное представление о том, как он работает и устроен.

Чтобы данные успешно поступили на определенное устройство, будь то смартфон или компьютер, используются специальные протоколы, наиболее распространенным из которых является IPv4. Как и когда он появился? По какому принципу функционирует? Каковы основные особенности?

Краткая история

Предшественницей современного интернета была сеть ARPAnet, инициатор разработки которой – американское Министерство обороны. Она появилась в 1969 году, обмен данным велся между 4 хостам, однако, уже к 1981 – количество выросло до 213. Сеть ширилась, делилась на группы и сегменты, усложнение структуры привело к тому, что все актуальнее становился поиск способа наладить эффективное взаимодействие между всеми структурами.

Главная задача специалистов имела четкую формулировку – сохранение начальной неоднородности всех сетей при обеспечении эффективного взаимодействия клиентов, подключенных к ним. Решение предложили Винтон Серф и Роберт Кхан. Им стал протокол IPv4. В 1981 он начал распространяться, а к 1983 – вытеснил NCP, используемый в ARPAnet.

Принцип функционирования

IPv4 – протокол, работающий на сетевом и межсетевом уровнях. Его важнейшая функция – передача пакетов данных от отправителей к получателям, которыми являются различные устройства, серверы, компьютеры. При необходимости протокол справится и с выполнением второстепенных задач:

Фрагментация информации;
Сжатие данных.

Расширенная функциональность дает возможность наладить эффективное взаимодействие между любыми сетями, вне зависимости от масштаба и подключенных к ним устройств.

Датаграмма, пакет отправляемых данных, в обязательном порядке имеет уникальный заголовок и полезную нагрузку. Заголовок необходим для шифрования адресов отправителя и получателя, тогда как полезной нагрузкой понимаются именно основная информация. Особенность, отличающая IPv4 от прямых протоколов связи – пакетный метод передачи, что исключает разрыв соединения при выходе из строя даже одного коммутационного модуля. Метод устойчив и к потере пакетов, для их восстановления предусмотрена поддержка повторных запросов.

Каждое устройство, работающее по протоколу IPv4, обладает уникальным IP-адресом, что обеспечивает точность передачи информации, исключает лишние сложности и задержки при установке коммутации. Адреса представлены двумя крупными категориями, частными и публичными. Публичные – уникальны и, в большинстве случаев, неизменны, принадлежат крупным серверам, частные – назначаются каждому устройству, вновь подключающемуся к сети, а потому могут изменяться, постоянная привязка отсутствует.

Состав IP-адреса

В версии IPv4 адрес состоит из 32 бит информации, чего достаточно для успешной идентификации. Его написание – 4 числовых группы, каждая из которых может быть сформирована, как максимум, 3 цифрами. Наглядным примером написания может быть “172.16.254.1.”, минимальный адрес – это 4 нуля, разделенных точками, максимальный – “255.255.255.255”, то есть превышение числа “255” недопустимо.

Классификация адресов

В сетях, работающих по протоколу IPv4, используются адреса нескольких классов:

A – возможные значения – от “0.0.0.0” до “127.255.255.255”. Данная категория ориентирована на крупномасштабные сети.
B – крупномасштабные и среднемасштабные сети, значения – от “128.0.0.0” до “191.255.255.255”.
C – допустимый интервал от “192.0.0.0” до “223.255.255.255”, что обеспечивает идеальную совместимость с сетями местного масштаба.

Также существуют специализированные классы, D и E. Первый ориентирован на программное обеспечение, работа которого предполагает рассылку пакетов сразу по нескольким адресам, второй – экспериментальный.

Режимы адресации

В протоколе IPv4 реализована поддержка нескольких схем адресации:

Одноадресная. В таком формате передача информации ведется на единственный сетевой модуль, который может выполнять функции как отправителя, так и получателя. В большинстве случаев режим применяется в процессе обращения к протоколу соединения.
Широковещательная. Эта схема подразумевает, что каждое из устройств, подключенных к соответствующей сети, может взаимодействовать с пакетами передаваемых данных. Формат становится возможным за счет добавления специального идентификационного кода.
Многоадресный. Эта схема объединяет форматы, описанные выше, является наиболее универсальной и функциональной.

Структура пакета IPv4

В пакете передаваемых данных содержится не только основной набор информации, но и вспомогательный, обеспечивающий четкость, стабильность коммутации, своевременность доставки и отправки. Наиболее значимыми являются следующие структурные части:

Время жизни. Оно обозначается английской аббревиатурой “TTL”. Правильно выставленное время жизни исключает опасность зацикливания, бесконечной передачи пакета. Факт получения одним устройством уменьшает TTL на единицу, когда оно достигает нуля, передача прекращается.
Интернет-протокол. Информация указывает на протокол более высокого уровня, что расширяет область применения IPv4.
Адрес отправителя. Уникальный идентификатор устройства, сформировавшего пакет.
Адрес получателя. Идентификатор устройства, на которое должна быть доставлена информация. Он присваивается вне зависимости от формата рассылки, от одноадресной до широковещательной.
Данные. Главный набор передаваемых между отправителем и получателем данных обозначается термином “Data”.

Статус протокола в эталонной сетевой модели OSI

Модель OSI была создана специально для того, чтобы четко представить взаимодействие оборудования, подключенного к сети. Она основана на строгой иерархии, состоит из 7 уровней, от физического до прикладного.

Протокол IPv4 принадлежит к сетевому уровню, занимающему в общей иерархической структуре третью позицию. Основная функция этого уровня – определение оптимальных маршрутов для информационной передачи, обеспечивающих максимальную скорость, стабильность доставки, учитывающих актуальную загрузку сети в целом и каждого отдельного устройства, что исключает сбои, потери информации.

На сетевом уровне также выполняются задачи, связанные с трансляцией, логические сетевые адреса трансформируются в физические, либо происходит обратное преобразование. Третий уровень – это посредник, принимающий данные с четвертого уровня, фрагментирующий ее, добавляющий вспомогательные данные для успешной передачи на второй.

Достоинства и недостатки

Основные сильные стороны протокола IPv4 выглядят следующим образом:

Универсальность, совместимость с сетями различного масштаба, уверенная работа на всех сетевых устройствах, будь то роутеры, маршрутизаторы, компьютеры, смартфоны.
Простота топологии, что упрощает внедрение сети, ее базовую настройку и дальнейшее управление, конфигурирование.
Краткость написания IP-адресов, упрощающая запись. При необходимости цифры можно даже запомнить, формат не сложнее мобильного телефонного номера.
Поддержка алгоритмов шифрования, что повышает безопасность передачи данных, делает их перехват бесполезным, без знаний кодировок расшифровка невозможна.
Поддержка мультикаста, что особенно актуально для сервисов потокового вещания аудио и видео.

Главный минус IPv4 – ограниченность доступных адресов. Их количество – больше 4 миллиардов, однако, с учетом постоянно увеличивающегося числа абонентов, оно не выглядит достаточным. Авторитетные организации, представляющие сферу интернет-коммуникаций, едины во мнении, что очень скоро свободных адресов в данном сегменте не останется, новым абонентам придется не просто покупать их, но ждать освобождения.

Второй негативный момент – изначальное отсутствие поддержки IPsec. Активация возможна, однако, куда проще сделать это с нового адреса.

Развитие технологии

Более современная версия интернет-протокола, лишенная недостатков IPv4 – IPv6. Ее создание датировано 1995 годом. Количество доступных адресов в рамках IPv6 является, по сути, неограниченным, составляет почти 80 октиллионов, что решает главный минус IPv4 – численность идентификаторов, не соответствующая реальным потребностям абонентов. Другие достоинства обновленной версии выглядят следующим образом:

Повышенная эффективность маршрутизации, что позволяет упростить структуру таблицы маршрутизации, повысить общую стабильность, точность, скорость работы.
Повышенная эффективность взаимодействия с пакетами информации за счет оптимизации заголовков.
Базовая поддержка технологии QoS, исключающая задержки при передаче данных.
Поддержка технологии IoT. Благодаря упрощенной информационной структуре и более эффективной обработке пакетов, новый протокол лучше подходит для подключения сетевого оборудования с невысокой вычислительной мощностью и малым потреблением энергии.

Несмотря на преимущества IPv6, многие пользователи остаются на адресах IPv4. Распространенность ограничивается как техническими, так и финансовыми факторами, однако, количество используемых адресов нового протокола неуклонно растет. В будущем можно ожидать, что IPv4 будет полностью вытеснен шестой версией.