آي بي في4

مبدأ العمل

بحسب نموذج الاتصال المعياري، يعمل بروتوكول الإنترنت في طبقة الشبكة . في المضيفين، في حالة الإرسال يعمل البروتوكول على تغليف وحدة بيانات البروتوكول القادمة من طبقة النقل وتمرير الناتج إلى طبقة ربط البيانات. أمّا في حالة الاستقبال، فيقوم البروتوكول باستقبال وحدة بيانات البروتوكول القادمة من طبقة ربط البيانات، يلي ذلك تحديد فيما إذا كانت الرزمة ستُرسل إلى أحد بروتوكولات طبقة النقل، أو إلى أحد البروتوكولات الأُخرى العاملة في طبقة الشبكة، وفي كلا الحالتين يقوم بروتوكول الإنترنت بفك تغليف رزمة البيانات، أي إزالة ترويستها، ثُمّ تمرير الرزمة إلى البروتوكول التالي .
يحدد بروتوكول الإنترنت أيضاً فضاء من العناوين الرقمية، التي تُسمّى عناوين الإنترنت، ويصف البروتوكول بنية هذه العناوين وأقسامَها، وتُسمّى هذه الوظيفة بالعنونة. يحصل كل مُضيف في الشبكة على عنوان واحد خاص ببروتوكول الإنترنت على الأقل، ويلعب هذا العنوان دور مُعرّف للمضيف. هناك شكلان للعنونة، هما العنونة القياسية، والعنونة غير القياسية، في الأولى: ويجري تنظيم هذه العناوين ضمن مجموعات ذات أطوال مُحددة سلفاً تُسمّى أصنافاً قياسيّة، وتسمى كل مجموعة بمجموعة عناوين شبكة، أو شبكة اختصاراً، ويمكن تجزئة المجموعة على أساس الأصناف إلى عدد من المجموعات الجزئية التي تسمى شبكات جزئيّة أيضاً. أمّا في العنونة غير القياسيّة فلا يوجد أصناف محددة الطول، ويجري تجزئة فضاء العناوين بحسب الحاجة دون قيود من قواعد الأصناف .
لا يُقدم الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت خدمة العنونة الآليّة، أي يجب تزويد المُضيفين بعناوين البروتوكول يدويّاً، أو الاعتماد على التهيئة الآليّة التي يُقدمها بروتوكول آخر ، مثل بروتوكول التهيئة الآلية للمضيفين . ولا يقدم البروتوكول خدمة توجيه رزم البيانات، ولا بد من إنجاز عمليّة التوجيه بشكلٍ يدويّ، أو الاعتماد على بروتوكول توجيه لإنجازها بشكل آلي، ولكن إنجاز عملية العنونة بشكلٍ صحيح هو خطوةٌ أساسيّةٌ لا بدّ منها لنجاح عملية التوجيه، فبدون العنونة لا يوجد توجيه . يعمل البروتوكول أساساً باستعمال قنوات  اتصال غير مُهيّئة ، ولا يُقدم أيضاً خدمة نقلٍ موثوقٍ للبيانات، فعند حصول أي خطأ في الشبكة، لا يمكن استرداد البيانات الضائعة، وتُقدّم بعض بروتوكولات طبقة النقل مثل بروتوكول التحكم بالنقل هاتان الوظيفتان، ويمكن الاعتماد عليه ليعمل مع بروتوكول الإنترنت وليقدّم خدمة نقلٍ موثوقٍ للبيانات عبر قنوات اتصال مهيأ .
بالإضافة لذلك يُشرف البروتوكول على وظيفة أساسيّة أخرى هي تقطيع رزم البيانات وإعادة تجميعها، حيث يجري تقطيع أي رزمة بيانات قبل إرسالها، سواء في المصدر أو في أي عقد على المسار، إذا كان حجمها يتجاوز قيمة وحدة النقل الأعظمية ، وتُنشئ نتيجة لذلك قطع أصغر حجماً. أمّا إعادة التجميع فتجري في الوجهة النهائية فقط عند استقبال قطع بيانات، وهي تهدف لإعادة تشكيل رزمة البيانات الأصليّة قبل التقطيع . في حالة الإرسال، لا يكون التقطيع إلزاميّاً، حيث يستقبل البروتوكول وحدة بيانات البروتوكول القادمة من طبقة النقل، وقد يُقطعها إلى قطعتين أو أكثر، بحسب قيمة حجم النقل الأعظمي الخاص بطبقة الشبكة، ثُم يُضيف ترويسته إلى كل قطعة ناتجة، ويُمرر هذه القطع إلى طبقة ربط البيانات . أمّا في حالة الاستقبال، فإن البروتوكول يستقبل وحدات بيانات البروتوكول القادمة من طبقة ربط البيانات، ثُمّ يقوم بتجميعها وتوليد رزمة البيانات الأصلية، وهناك عدة خوارزميات لتحقيق ذلك . يجري فك تغليف الرزمة الأصليّة بعدها، ثُمّ وتمريرها إلى البروتوكول المناسب سواء في طبقة الشبكة أو طبقة النقل.

بنية الترويسة

تتكون رزمة الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت  من ترويسة وحمُولة. يتراوح حجم الترويسة بين 20 و60  بايتاً، أمّا حجم الرزمة ككل، أي الترويسة والحمولة معاً، فمن الممكن أن يصل نظريّاً حتى 65535 بايت .
تتكوّن الترويسة من نوعين من الحقول، هي الحقول الإلزامية والخيارات. أمّا الحقول الإلزاميّة فهي بطول 20 بايتاً، وتُمثّل الحقول التي توجد دائماً في الترويسة، وأمّا الخيارات، فهي حقول غير إلزاميّة قد تُلحق بالترويسة، ويمكن أن يصل طولها الأعظمي في رزمة واحدة إلى 40 بايت، وقد وصِفت بنية الحقول واستعمالتها في معيار البروتوكول .

غير القياسية

العنونة غير القياسية (بالإنجليزية: Classless addressing) هي نمط عنونة يجري بموجبه تجزئة فضاء عناوين الإنترنت وفق نهج متعدد المستويات، وهذا يعني إمكانية تجزئة الفضاء على أكثر من مرحلة، ما يجعل تحصيص الفضاء أكثر مرونة مقارنة بالعنونة القياسية حيث تكون الأصناف ثابنة الطول . في العنونة غير القياسية يتكون العنوان من بادئة ومُعرّف للمضيف، تشمل البادئة البتات المحجوزة ومُعرّف الشبكة، وليس هناك طول مُحدد للبادئة، بل يزداد طولها في كل مستوى تجزئة في مقابل نقصان في طول مُعرّف المضيف .
طوّرت العنونة غير القياسية كرد فعل على استنفاد عناوين الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت وبدء استعمالها في شبكة الإنترنت منذ العام 1993م . سمحت تطبيق هذا النمط من العنونة بإطالة عمر الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت عقدين من الزمن على الأقل، وهي اليوم جزء من منظومة توجيه تُسمّى التوجيه غير القياسي بين النطاقات تشمل أو تدعم أيضاً آليات أخرى إدارة فضاء الإنترنت مثل تجميع المسارات (بالإنجليزية: Route aggregation) واستعمال الأقنعة مختلفة الطول VLSM وغير ذلك .

التقطيع وإعادة التجميع

طوّرت شبكة الإنترنت أساساً لتكون شبكة تربط بين الشبكات المختلفة، وهذا ما يدل عليه اسمها المكون من مقطعين (بالإنجليزية: -inter) وتعني بينَ، و(بالإنجليزية: net) وتعني شبكة، وقد تدعم كل شبكة حجماً أعظمياً لرزم البيانات مختلفاً عن بقية الشبكات. بناءً على ذلك، ظهرت مشكلة دعم أحجام مختلفة من رزم البيانات منذ بدايات الإنترنت، وكان الحل المقترح هو التقطيع وإعادة التجميع، وفيه يقوم أي موجه غير قادر على إرسال رزمة بيانات عبر شبكة ما، لأن حجمها يتجاوز قيمة وحدة النقل الأعظميّة  المسموح في تلك الشبكة بتقطيع الرزمة إلى رزم بيانات أصغر تُسمّى قطعاً، ثم توجيهها عبر الشبكة، على أن يتم إعادة تجميع الرزمة الأصلية انطلاقاً من القطع في الوجهة النهائية .
التقطيع وإعادة التجميع هما وظيفتان من وظائف الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت .

توصيف المشكلة

استنفاد فضاء عناوين الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت (بالإنجليزية: IPv4 address exhaustion) هو تخصيص العناوين الحرّة في فضاء عناوين الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت من خلال منحها إلى مُضيفين في شبكة الإنترنت. لوحظت هذه المشكلة في مطلع التسعينيات من القرن العشرين مع توسّع شبكة الإنترنت، وابتدأ العمل على إيجاد حلول لها منذ ذلك الوقت .
جرى التعامل مع مشكلة استنفاد العناوين عبر إستراتيجيتين، الأول هي إستراتيجية قصيرة المدى، هدفت إلى خفض سرعة استنفاد فضاء العناوين وإطالة عمر الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت إلى أقصى زمن ممكن، والثانية هي طويلة المدى، هدفت إلى استبدال الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت ذو فضاء العناوين المحدود، حوالي 4.3 مليار عنوان فقط، والاستعاضة عنه ببروتوكول تشبيك يدعم فضاء عنونة أكبر .
مع اتباع الإستراتيجيتين بشكلٍ متوازي ، طوّرت مجموعة من الحلول الإسعافية كنتيجة للإستراتيجية قصيرة الأمد، شملت تقنية ترجمة عنوان الشبكة (NAT)  ونمط عنونة غير قياسي كجزء من آلية توجيه سمُيت التوجيه غير القياسي بين النطاقات (CIDR) ، وترتب على ذلك تطوير عملية تجزئة الشبكة ودعم استعمال الأقنعة مختلفة الطول (VLSM) . أمّا الإستراتيجيّة طويلة الأمد، فقد نجم عنها تطوير الإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت (IPv6) ليكون حل نهائيّاً وبديلاً عن الإصدار الرابع من البروتوكول .
ساعدت الإستراتيجيّة قصيرة الأمد بشكل على مدّ عمر الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت لأكثر من ربع قرن بعد أن كان المتوقع هو 3-5 سنوات فقط ، ولكن استنفاذ فضاء العناوين استمر، وإن بوتيرة أبطأ. في شهر فبراير من العام 2011 أصدرت شركة الإنترنت للأرقام والأسماء الممنوحة، المعروفة اختصاراً بآيكان، بياناً صحفياً أفادت فيه ببدء استهلاك آخر فضاء عناوين غير مُخصص ذو بادئة بطول 8/ .

تراكب أفضية العناوين

تراكب أفضية عناوين بروتوكول الإنترنت (بالإنجليزية: IP address spaces overlap) هي مشكلة مرتبطة بالعنونة، وتحصل غالباً بسبب استخدام غير صحيح للأقنعة مختلفة الطول . عندما تتراكب أفضية العناوين، يصبح هناك مجموعة من العناوين مشتركة بين فضاءَين أو أكثر، ونتيجة لذلك، يمكن أن يحصل مُضيفان على نفس العنوان ولكن يكون لكل منها قناع مختلف، ويؤدي ذلك إلى حصول مشكلة في توجيه رزم البيانات، لذلك لا يجب أن تتراكب أفضية العناوين عند إنجاز عملية العنونة .
يمكن التغلب على هذه المشكلة بتصميم الشبكة بشكل دقيق بحيث تُنجز العنونة عند استخدام الأقنعة مختلفة الطول بدون أن يحصل تراكب بين الأفضية الجزئية، ويحصل ذلك من خلال تحديد مُعرّفات كل فضاء جزئي ومجال العناوين الذي يمتد عليه، وتلافي وجود مجال مشترك بين أي فضاءَين مستخدمين في العنونة .