IPv4 – co to takiego i z czego się składa?

IPv4 to nazwa, która większości internautów nic nie mówi. Bez tego protokołu niemożliwe byłoby jednak korzystanie z Internetu. To właśnie ten standard odpowiada za to, że każde urządzenie w sieci – czy to komputer, telefon, router, czy strona Internetowa – może wymieniać dane z innymi. IPv4 to protokół warstwy sieciowej w modelu OSI, który umożliwia adresowanie i przesyłanie pakietów danych w sieciach komputerowych. Mimo że jego konstrukcja ma już ponad 40 lat, wciąż jest powszechnie wykorzystywany.

Co to jest protokół IPv4?

Współcześnie niemal każde urządzenie elektroniczne pozwala na dostęp do Internetu. Niezależnie od tego, czym jest (np. komputerem, smartfonem lub tabletem), ma ono unikalny identyfikator. Jest nim IP – Internet Protocol. IPv4 to jego najstarsza i najbardziej rozpowszechniona wersja – Internet Protocol version 4. 

Oparty na 32-bitowej strukturze, pozwala na stworzenie 4,3 miliarda unikalnych adresów. Standard, z którego korzystają urządzenia i strony to IPv4, czyli Internet Protocol version 4. Jest to ciąg cyfr zapisywanych w systemie bitowym. Adres IP identyfikuje nie tyle urządzenie, co jego interfejs sieciowy – czyli konkretne gniazdo logiczne, przez które komunikuje się ono z siecią.

IPv4 to protokół bezpołączeniowy i działa w trybie best-effort, co oznacza, że nie gwarantuje dostarczenia pakietu do celu. 

To protokoły wyższych warstw, takie jak TCP, odpowiadają za retransmisję i potwierdzenia. IPv4 nie oferuje też wbudowanych mechanizmów bezpieczeństwa – zabezpieczenia muszą być realizowane przez protokoły takie jak IPsec lub przez zastosowanie tuneli VPN.

Sprawdź Abonamenty dla firm

Prowadzisz firmę? Wysyłasz wiele paczek miesięcznie? Zaoszczędź na wysyłce z InPost! Różnorodność oferty sprawia, że jest to rozwiązanie zarówno dla małych, jak i dużych firm.

Poznaj pełną ofertę Abonamentów i podpisz umowę online.

Elementy składowe protokołu IPv4

Budowa adresu IPv4 ma postać 32-bitową. Adres podzielony jest na cztery bajty. Każdy z nich zapisywany jest w postaci liczb od 0 do 255. To tzw. oktety – oddzielone kropkami w zapisie dziesiętnym (np. 192.168.0.1). Adres IPv4 składa się z dwóch części: adresu sieci oraz adresu hosta (czyli konkretnego urządzenia w tej sieci). O tym, która część odpowiada za co, decyduje tzw. maska podsieci.

Maska podsieci to także 32-bitowy zapis, który wskazuje, ile bitów adresu przypisanych jest do identyfikacji sieci, a ile do identyfikacji hosta. Przykład: maska 255.255.255.0 oznacza, że pierwsze trzy oktety identyfikują sieć, a ostatni oktet – urządzenie w tej sieci.

Aby urządzenie mogło komunikować się z innymi poza swoją podsiecią, potrzebuje też bramy domyślnej (default gateway) – czyli adresu routera, który przekazuje pakiety dalej, np. do Internetu.

W strukturze nagłówka IPv4 znajdują się również pola odpowiedzialne za:

• czas życia pakietu (TTL – Time To Live) – ograniczający liczbę przeskoków między routerami;
• sumę kontrolną nagłówka – służącą do wykrywania błędów;
• informacje do fragmentacji – czyli dzielenia dużych pakietów na mniejsze.

Wśród adresów IPv4 wyróżniamy też adresy specjalne:

• adres pętli zwrotnej (loopback) – 127.0.0.1, pozwala testować połączenia lokalne;
• adres rozgłoszeniowy (broadcast) – np. 255.255.255.255, wysyła pakiety do wszystkich hostów w sieci;
• adresy multicastowe – umożliwiają wysyłkę danych do wybranych grup urządzeń.

Od wielu lat kolejne adresy IPv4 przydzielane są losowo. Do 1997 roku tak jednak nie było. Istniał wówczas podział na klasy sieci IPv4. System klas (A–E) został jednak porzucony na rzecz CIDR (Classless Inter-Domain Routing), który pozwala na bardziej elastyczne zarządzanie przestrzenią adresową.

Adresy publiczne i prywatne a rola translacji NAT

W praktyce adres IPv4 może być:

• publiczny – unikalny w całym Internecie, przypisany przez dostawcę (ISP);
• prywatny – używany w sieci lokalnej, np. w domu lub biurze.

Zakresy adresów prywatnych są zdefiniowane i obejmują m.in.:

• 192.168.0.0 – 192.168.255.255,
• 10.0.0.0 – 10.255.255.255,
• 172.16.0.0 – 172.31.255.255.

Urządzenia z adresami prywatnymi nie mogą komunikować się bezpośrednio z Internetem. Rolę pośrednika pełni NAT (Network Address Translation), który translatuje adresy prywatne na jeden wspólny, publiczny adres IP. To właśnie NAT – obecny w każdym domowym routerze – pozwolił znacząco opóźnić wyczerpanie globalnej puli adresów IPv4.

Konfiguracja połączenia sieciowego IPv4

Urządzenia w sieci mogą uzyskać adres IPv4 na dwa sposoby:

1. Statycznie – administrator ręcznie przypisuje adres IP, maskę podsieci, bramę domyślną i serwer DNS. Jest to powszechne w środowiskach serwerowych, gdzie adres musi być stały.
2. Dynamicznie (z użyciem DHCP) – najczęściej stosowane rozwiązanie. Automatyczne przydzielanie adresów w sieciach lokalnych za pomocą protokołu DHCP oznacza, że router pełniący funkcję serwera DHCP samodzielnie przydziela urządzeniom adresy IP z dostępnej puli. DHCP przekazuje też maskę podsieci, adres bramy i DNS – dzięki czemu użytkownik nie musi konfigurować niczego ręcznie.

Konfiguracja sieci z użyciem DHCP jest wygodna, ale w niektórych sytuacjach – np. dla drukarek sieciowych – zaleca się stosowanie adresów statycznych, by urządzenia były zawsze osiągalne pod tym samym adresem.

Historia protokołu IPv4 i zarządzanie pulą adresów

Protokół IPv4 został stworzony w latach 80. Odpowiedzialne za to jest Internet Assigned Numbers Authority (IANA), nieformalne stowarzyszenie zajmujące się przydzielaniem adresów Internetowych. Członkami IANA były i są wybitne umysły, które dały podwaliny pod współczesny Internet. Jednym z nich był Jon Postel – to postać legendarna w historii Internetu, współtwórca systemu nazw domen i standardów sieciowych. 

Zadaniem IANA było (i jest) przydzielanie adresów IP – ale ponieważ Internet rośnie, obecnie deleguje ona zarządzanie do Regionalnych Rejestrów Internetowych (RIR). Dla Europy jest to RIPE NCC, który rozdziela adresy dostawcom Internetowym, firmom i instytucjom publicznym.

Na początku powszechnie wykorzystywano system klas adresowych (A–E). Miały je zazwyczaj największe korporacje, ale z czasem okazał się on nieefektywny. Dlatego wprowadzono system CIDR (Classless Inter-Domain Routing), który pozwalał na bardziej elastyczne przydzielanie bloków adresów – np. /24 oznacza sieć z 256 adresami (z czego 254 do użycia). 

Zapotrzebowanie na kolejne adresy protokołu IPv4 gwałtownie zwiększyło się w latach 90. Aby nie zabrakło ich zbyt szybko, wielu stronom i urządzeniom IANA przydzielała niewykorzystywane od lat identyfikatory. W międzyczasie nadawano również nowe nazwy. Ostatnie z nich wykorzystano w 2019 roku. Obecnie pula adresów IPv4 się wyczerpała – nowe przydziały możliwe są tylko z odzyskanych i zwolnionych zasobów. To główny powód opracowania IPv6, który rozwiązuje ten problem fundamentalnie.

Sposoby komunikacji w ramach protokołu

IPv4 wspiera trzy podstawowe tryby przesyłu danych.

• Unicast – transmisja jeden do jednego, czyli od źródła do konkretnego odbiorcy. Jest to najczęściej wykorzystywany tryb w sieciach IP (np. przeglądanie stron).
• Broadcast – transmisja do wszystkich hostów w danej sieci (adres broadcastowy, np. 192.168.1.255). Używana przy wyszukiwaniu urządzeń lub przesyłaniu informacji o dostępnych usługach.
• Multicast – transmisja do wybranej grupy odbiorców, np. w transmisjach wideo, konferencjach online czy aktualizacjach systemowych (adresy zaczynające się od 224.x.x.x).

IPv4 obsługuje też adresy specjalne, jak adres pętli zwrotnej (127.0.0.1) – wykorzystywany do testowania połączeń lokalnych w systemie operacyjnym.

Mechanizmy i ograniczenia protokołu IPv4

Dzięki wykorzystaniu trasowania poszczególne części pakietu docierają do odbiorcy różnymi ścieżkami. Rzeczywiście, IPv4 umożliwia fragmentację pakietów – jeżeli przesyłana wiadomość jest większa niż dopuszczalny rozmiar w sieci (MTU), zostaje podzielona na mniejsze części. Informacje o fragmentach znajdują się w nagłówku.

Ważne pola w nagłówku pakietu IPv4 to m.in.:

• TTL (Time to Live) – zapobiega zapętleniu pakietu, zmniejszając licznik przy każdym przeskoku między routerami.
• Checksum (Suma kontrolna) – pozwala wykrywać błędy w nagłówku.
• Flags – sterują fragmentacją pakietu (np. ustawienie "Don’t Fragment").

Jedną z największych wad IPv4 jest brak wbudowanych mechanizmów szyfrowania i autoryzacji. To oznacza, że dane przesyłane w tej warstwie mogą być przechwycone, jeśli nie są zabezpieczone innymi protokołami (jak IPsec lub SSL/TLS). 

Kolejna wada to wspomniany wcześniej brak gwarancji dostarczenia – to zadanie wyższych warstw, jak TCP.

IPv4 i IPv6 – różnice i podobieństwa

To ile bitów ma adres IP wersji 4, a ile w 6 ma kolosalny wpływ na ilość dostępnych adresów. Nowy system zwiększył ich pulę z 4,3 mld do 340 sekstylionów. IPv6 wprowadza 128-bitowy system adresowania (w porównaniu z 32-bitowym w IPv4), co daje praktycznie nieskończoną przestrzeń adresową. Adresy są zapisywane w postaci heksadecymalnej (litery i cyfry) i rozdzielane dwukropkiem, np. 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334. 

Możliwe jest jego dalsze skracanie. Pozbycie się dwóch ostatnich zer daje postać 1234:ab567:0:0::1234:5678. W takim przypadku wymagany jest separator w postaci podwójnego dwukropka. Taki zapis obowiązuje również w przypadku kolejnych uproszczeń. Tożsamy z pierwotnym adresem jest np. 1234:ab567::1234:5678. Co ważne, podwójny dwukropek można zastosować tylko raz w danym adresie.

IPv6 eliminuje potrzebę stosowania NAT – każdy interfejs może mieć swój unikalny, publiczny adres. Dodatkowo:

• w IPv6 IPsec jest obowiązkowy, a nie opcjonalny;
• routing odbywa się szybciej, bo nagłówek jest uproszczony;
• nie ma fragmentacji w routerach – odpowiada za to tylko host.

Mimo tych zalet, IPv6 i IPv4 nie są kompatybilne – pakiety nie mogą być przekazywane bezpośrednio między sieciami opartymi na różnych wersjach. Dlatego stosuje się mechanizmy tranzytowe, takie jak:

• tunelowanie (np. 6to4, ISATAP) – enkapsulacja IPv6 w IPv4,
• translacja (np. NAT64) – tłumaczenie jednego protokołu na drugi.

Współistnienie IPv4 z IPv6

Współczesne sieci funkcjonują najczęściej w trybie dual-stack – urządzenia i serwery obsługują jednocześnie IPv4 i IPv6. Dzięki temu mogą komunikować się z klientami korzystającymi z obu wersji protokołu. Proces migracji na IPv6 jest długotrwały, bo wiele urządzeń i aplikacji wciąż nie obsługuje nowszego standardu.

Z tego powodu na poziomie operatorów i dostawców hostingu stosuje się specjalne mechanizmy, które umożliwiają współistnienie obu protokołów. Celem w dłuższej perspektywie jest jednak całkowite przejście na IPv6, co pozwoli uniknąć ograniczeń przestrzeni adresowej i zwiększyć efektywność routingu oraz bezpieczeństwo.

Podsumowanie

Protokół IPv4 okazał się niezbędnym, ale niewystarczającym narzędziem do komunikacji w Internecie. Choć jego czas przemija, bez wątpienia okazał się jednym z kamieni milowych w rozwoju globalnej sieci. Zapewnił fundament dla współczesnego Internetu i przez dekady był podstawą działania miliardów urządzeń. Jednak rosnące potrzeby komunikacyjne, mobilność i Internet Rzeczy (IoT) sprawiły, że zasoby IPv4 się wyczerpały – i tylko nowy standard może zapewnić dalszy rozwój.