Co to jest adres IPv4?

Protokół IPv4, czyli internetowy protokół w wersji czwartej, stanowił fundament sieci internetowej, wprowadzony przez Departament Obrony USA w ramach projektu ARPANET. Jego podstawową cechą jest zdolność do generowania miliardów unikalnych adresów IP. Od momentu jego wdrożenia w 1983 roku, wraz z dynamicznym rozwojem Internetu Rzeczy (IoT) i pojawianiem się coraz większej liczby urządzeń online, stoimy w obliczu wyczerpywania się dostępnej puli adresów. W tym artykule przyjrzymy się bliżej, czym jest adres IPv4, omawiając zarówno jego zalety, jak i ograniczenia.

Adres IPv4 – definicja

IPv4, jako pierwsza implementacja protokołu internetowego, wykorzystuje 32-bitową przestrzeń adresową, co czyni go najczęściej stosowanym typem adresu IP. Adres ten jest zapisywany w formie czterech liczb, zwanych oktetami, oddzielonych kropkami. Każdy z oktetów zawiera wartość z przedziału od 0 do 255. Teoretycznie IPv4 umożliwia utworzenie około 4,3 miliarda unikatowych adresów. Przykładowy adres IPv4 to 234.123.42.65. W dalszej części artykułu wyjaśnimy, jak można przekonwertować adres IPv4 na postać binarną, używając w tym celu specjalnego konwertera.

Składowe adresu IPv4

Adres IP w wersji czwartej składa się z trzech zasadniczych elementów:

• Część sieciowa: Identyfikuje sieć, do której przypisany jest dany adres IP. W strukturze adresu IPv4 jest to zazwyczaj jego lewa strona.

• Część hosta: Pozwala na jednoznaczną identyfikację konkretnego urządzenia w sieci. W odróżnieniu od części sieciowej, która jest wspólna dla wszystkich hostów w danej sieci, część hosta jest unikalna dla każdego urządzenia.

Dla przykładu, w adresie 234.123.42.65, podział na część sieciową i hosta przedstawia się następująco:

234
123
42
65
Część sieciowa
Część hosta

• Numer podsieci: Jest to opcjonalny składnik adresu IP, wykorzystywany do podziału sieci na mniejsze fragmenty. Ułatwia zarządzanie siecią i optymalizuje ruch.

Konwersja IPv4 na kod binarny

Mimo że na co dzień adres IPv4 przedstawiamy jako 32-bitową liczbę, komputery i sieci posługują się językiem binarnym. Wykorzystamy konwerter IPv4 na binarny, aby zrozumieć, jak adres IP jest transformowany do postaci binarnej. Jak już wiemy, każdy oktet składa się z 8 bitów, a każdy bit ma przypisaną wartość. Pokażemy, jak to wygląda, używając 8-bitowego schematu oktetu.

Weźmy adres 234.123.42.65 i przekonwertujmy go na postać binarną. Każdy bit oktetu może mieć wartość 1 lub 0. Pierwszy oktet ma wartość 234. Aby uzyskać 234, musimy dodać wartości 128+64+32+8+2. Te liczby w schemacie oktetowym oznaczamy jako 1, pozostałe jako 0.

128
64
32
16
8
4
2
1
1
1
1
0
1
0
1
0

Zatem binarna reprezentacja liczby 234 to 11101010. Analogiczny proces przeprowadzamy dla każdego z pozostałych oktetów.

128
64
32
16
8
4
2
1
123
0
1
1
1
1
0
1
1
42
0
0
1
0
1
0
1
0
65
0
1
0
0
0
0
0
1

W rezultacie binarną formą adresu IP 234.123.42.65 jest 11101010.01111011.00101010.01000001

Model IPv4 i OSI

Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) opracowała model OSI (Open System Interconnection), który opisuje, w jaki sposób systemy powinny komunikować się ze sobą. Model ten składa się z warstw, gdzie każda ma do spełnienia konkretną rolę w procesie komunikacji. Oto warstwy modelu OSI:

• Warstwa aplikacji (7): Jest to najwyższa warstwa, odpowiedzialna za interakcję z użytkownikiem. Przesyła i wyświetla dane pomiędzy aplikacjami. Umożliwia komunikację z aplikacją po drugiej stronie, korzystając z niższych warstw. Przykładem są protokoły TelNet i FTP.

• Warstwa prezentacji (6): Zajmuje się przetwarzaniem danych, konwertując formaty z aplikacji na sieć i odwrotnie. Przykładem działań na tej warstwie jest szyfrowanie i deszyfrowanie danych.

• Warstwa sesji (5): Umożliwia tworzenie sesji komunikacyjnych pomiędzy dwoma komputerami, szczególnie gdy wymagana jest interakcja z użytkownikiem. Odpowiada za konfigurację, zarządzanie i zakończenie sesji, np. podczas weryfikacji hasła.

• Warstwa transportowa (4): Zapewnia niezawodną transmisję danych między sieciami, w tym kontrolę ilości, prędkości i miejsca docelowego danych. Wykorzystuje protokoły TCP/IP i UDP. Dzieli dane na mniejsze segmenty i przekazuje do warstwy sieci.

• Warstwa sieci (3): Kieruje pakiety danych (segmenty) do celu, wybierając optymalną trasę. Jest odpowiedzialna za routing.

• Warstwa łącza danych (2): Przesyła dane z warstwy fizycznej do wyższych warstw, zajmując się również naprawą błędów powstałych podczas transmisji.

• Warstwa fizyczna (1): Najniższa warstwa, opisuje aspekty fizycznej transmisji danych, jak typ kabla, napięcie, układ pinów itd.

Struktura pakietu IPv4

Pakiet IPv4 składa się z nagłówka i danych, mogąc mieć maksymalną wielkość 65 535 bajtów. Nagłówek ma długość od 20 do 60 bajtów i zawiera adresy hostów (źródłowego i docelowego) oraz inne informacje pomocne w dostarczeniu danych.

Nagłówek pakietu IPv4 zawiera 13 obowiązkowych pól. Oto ich opis i role:

• Wersja: 4-bitowe pole, wskazujące wersję protokołu IP.

• Długość nagłówka IP (IHL): Długość nagłówka IP.

• Typ usługi: Informacja o priorytecie i kolejności pakietów.

• Całkowita długość: Całkowita wielkość pakietu (od 20 do 65 535 bajtów).

• Identyfikacja: Pozwala zidentyfikować fragmenty pakietów podzielonych podczas transmisji.

• ECN: Wyraźne powiadomienie o przeciążeniu – informuje o zatorach na trasie.

• Flagi: 3-bitowe pole wskazujące, czy pakiet wymaga fragmentacji.

• Przesunięcie fragmentu: Umożliwia poprawne ułożenie fragmentów pakietu.

• Czas życia (TTL): Uniemożliwia zapętlenie pakietu w sieci. Zmniejsza się z każdym routerem, po osiągnięciu 1 pakiet jest odrzucany.

• Protokół: Informuje, do jakiego protokołu wyższej warstwy należy pakiet.

• Suma kontrolna nagłówka: Służy do weryfikacji poprawności nagłówka.

• Źródłowy adres IP: Adres IP nadawcy.

• Docelowy adres IP: Adres IP odbiorcy.

• Opcje: Używane, gdy długość nagłówka jest większa niż standardowa.

Przejdźmy teraz do charakterystyki protokołu IPv4, jego zalet i wad.

Charakterystyka IPv4

Poniżej przedstawiamy kluczowe cechy protokołu IPv4:

• Adresy IPv4 są 32-bitowe.
• Liczby w adresie oddzielone są kropkami.
• Wykorzystuje adresy unicast, multicast i broadcast.
• Nagłówek IPv4 składa się z 12 pól.
• Obsługuje wirtualną maskę podsieci (VLSM).
• Używa protokołu ARP (Address Resolution Protocol) do mapowania adresów IP na adresy MAC.
• Konfiguracja sieci może odbywać się za pomocą DHCP lub ręcznie.

Zalety i wady IPv4

Poniżej przedstawiamy plusy i minusy korzystania z IPv4:

Zalety IPv4:

• Dobra alokacja adresów i kompatybilność.
• Efektywny routing.
• Solidne kodowanie.
• Łatwość podłączania wielu urządzeń.
• Skuteczna komunikacja w trybie multicast.

Wady IPv4:

• Wyczerpywanie się puli adresów.
• Trudne zarządzanie, złożone i czasochłonne.
• Niewystarczający i mało efektywny routing w globalnej sieci.
• Opcjonalne funkcje bezpieczeństwa.

To podsumowanie wad i zalet protokołu IPv4.

***

Mimo że istnieje nowsza wersja – IPv6, IPv4 nadal jest w użyciu ze względu na jego kompatybilność, pomimo problemu wyczerpujących się adresów. Mamy nadzieję, że ten artykuł pomógł Ci lepiej zrozumieć, czym jest adres IPv4. Zachęcamy do pozostawiania pytań i sugestii w sekcji komentarzy.