پروتکل اینترنت نسخه ۴
پروتکل اینترنت نسخه ۴ یا به اختصار IPv4، چهارمین بازبینی پروتکل اینترنت (IP) و نخستین نسخه‌ایست که به گستردگی به کارگرفته شد. این نسخه از پروتکل در هستهٔ روش‌های شبکه‌بندی بر پایهٔ استانداردها در اینترنت است. هرچند به کارگیری نسخه ششم پروتکل اینترنت (IPv6) آغاز شده‌است، IPv4 پراستفاده‌ترین پروتکل اینترنت است.
IPv4 در "RFC 791" ازانتشارات گروه ویژه مهندسی اینترنت(IETF) در سپتامبر ۱۹۸۱ - که جایگزین تعریف قدیمی تر آن در سال ۱۹۸۰ در "RFC 760" شد- تشریح شده‌است.
IPv4 پروتکلی بدون اتصال برای استفاده در شبکه‌های راهگزینی بسته لایه پیوند(مانند اترنت) است. این پروتکل بر مبنای مدل بیشترین تلاش برای تحویل کار می‌کند بدین معنی که هیچ تضمینی برای رساندن بسته‌ها به مقصد، پشت سر هم رسیدن و حفظ توالی بسته هاو یا عدم تکراری بودن بسته‌ها ارائه نمی‌دهد. این جنبه‌های مربوط به جامعیت داده‌ها در لایه بالایی یعنی لایه انتقال درنظرگرفته شده‌اند(مانند پروتکل کنترل انتقال (TCP)).
هر آدرس IPv4 شامل 32 بیت می‌شود که از 4 بخش 8 بیتی تشکیل شده‌است. در نتیجه فضای نشانی را به ۴٬۲۹۴٬۹۶۷٬۲۹۶ (۲) نشانی یکتای ممکن محدود می‌سازد. اما قسمتی از این نشانی‌ها برای مقاصد خاصی مانند شبکه‌های خصوصی (تقریباً ۱۸ میلیون نشانی) وچند پخشی(تقریباً ۲۷۰ میلیون نشانی) رزرو شده‌است و شمار نشانی‌های قابل استفاده برای مسیریابی روی شبکه عمومی اینترنت کمتر می‌شود. همچنانکه نشانی‌های بیشتری به کاربران تخصیص می‌یابد به اتمام آدرسهای IP نزدیک تر می‌شویم، هرچند که طراحی‌های مجدد ساختار نشانی دهی شبکه از راه شبکه‌های باکلاس(Classful network)، مسیریابی میان دامنه بدون کلاس(CIDR) و ترجمه نشانی شبکه (NAT) از عواملی هستند که این امر را به تعویق انداختند.
محدودیت IPv4 در شمار نشانی‌ها انگیزه‌ای برای ایجاد IPv6 شد که هنوز در مراحل اولیه به‌کارگیری قرار داردو تنها راه حل بلند مدت برای کمبود نشانی هاست.
نشانی‌های پروتکل اینترنت نسخه ۴ به شکل دهدهی نقطه دار نمایش داده می‌شوند. هر نشانی از چهار هشت تایی(octet) تشکیل می‌شود که در مبنای ده نوشته و با نقطه از هم جدا می‌شوند. بیشتر این قالب‌های نمایش را همه مرورگرهای اینترنت می‌فهمند. علاوه بر آن اگر از نمایش نقطه دار استفاده شود، هر هشت تایی را می‌توان در مبنایی متفاوت نوشت. مثلاً نشانی فوق را می‌توان به شکل 192.0x00.0002.235 نیز نشان داد.
درسیستم نشانی دهی اولیه یک نشانی آی پی به دوقسمت تقسیم می‌شد، "شناسه شبکه" که توسط باارزش‌ترین هشت تایی (بالاترین مرتبه) نشانی مشخص می‌گردید و شناسه میزبان که توسط ۳ هشت تایی باقی‌مانده مشخص می‌گردید و از این رو به "فیلد باقیمانده" مشهور بود. این روش امکان نشانی دهی تا حداکثر ۲۵۶ شبکه را فراهم می‌کرد که به زودی معلوم شد که این تعداد ناکافی است.
برای غلبه بر این محدودیت، در سیستمی که بعدها به نام شبکه بندی باکلاس خوانده شد، باارزشترین هشت تایی در تعریفی جدید به کلاسهایی از شبکه‌ها تقسیم شد. این سیستم پنج کلاس نشانی تعریف می‌کند:A,B,C,D و E. کلاس‌های A,B,C تعداد بیتهای متفاوتی برای مشخص کردن شبکه دارندو باقی نشانی مانند قبل برای مشخص کردن یک میزبان درون شبکه به کار می‌رود. بدین ترتیب کلاس‌های شبکه ظرفیت‌های متفاوتی برای نشانی دهی به میزبان‌ها دارند. کلاس D برای نشانی‌های چندپخشی و کلاس E برای کاربردهای آینده رزرو شدند.
کلاس A: در این کلاس ۸ بیت اول آن netID و ۲۴ بیت آخر hostID است و بیت اول netID صفر است. در نتیجه از ۱ تا ۱۲۶ را در بر میگیرد.
کلاس B: در این کلاس ۱۶ بیت اول آن netID و ۱۶ بیت آخر hostID است و بیت اول netID یک و بیت دوم صفر است. در نتیجه از ۱۲۸ تا ۱۹۱ را در بر میگیرد.
کلاس C: در این کلاس ۲۴ بیت اول آن netID و ۸ بیت آخر hostID است و دو بیت netID آن یک و بیت سوم صفر است. در نتیجه از ۱۹۲ تا ۲۲۳ را در بر میگیرد.
کلاس D: در این کلاس سه بیت netID آن یک و بیت چهارم صفر است. در نتیجه از ۲۲۴ تا ۲۳۹ را در بر میگیرد.
کلاس E: در این کلاس چهار بیت netID آن یک است. در نتیجه از ۲۴۰ تا ۲۵۵ را در بر میگیرد.
در سال ۱۹۸۵ زیرشبکه‌ها معرفی شدند که امکان تقسیم شبکه‌های باکلاس را ایجاد کرد.
در سال ۱۹۸۷ پوشش زیرشبکه با طول متغیر(VLSM) معرفی شد که برای ایجاد زیر شبکه‌هایی با اندازه‌های متفاوت به کار می‌رود.
درحوالی سال ۱۹۹۳ مسیریابی میان دامنه بدون کلاس(Classless Inter-Domain Routing) معرفی شد. CIDR برای پیاده‌سازی ابرشبکه بندی به کار می‌رود. ابر شبکه بندی انبوهش مسیر را ممکن می‌سازد.. CIDR نشان‌گذاری پیشوندی را معرفی کرد که به نام نشان‌گذاری سی آی دی آر (CIDR) نیز شناخته می‌شود. این نشان‌گذاری اکنون در هر سه مورد نشانی دهی بدون کلاس به کار می‌رود: زیرشبکه بندی(subnetting)، پوشش زیرشبکه با طول متغیر(VLSM)و ابرشبکه بندی(supernetting).
CIDR جانشین سیستم ابتدایی کلاس‌های آی پی شد و سیستم قدیم به دلیل طراحی مبتنی بر کلاس، در مقابله با واژه (بدون کلاس)Classless به نام (باکلاس)classful خوانده شد. مزیت اصلی استفاده از CIDR این است که می‌توان هر فضای نشانی را تقسیم نمود تا امکان تخصیص بلوک‌های کوچکتر یا بزرگتر به کاربران به وجود آید.
ساختار سلسله مراتبی CIDR تحت نظارت سازمان مرجع شماره‌های تخصیص داده شده(Internet Assigned Numbers Authority یا IANA) و دفاتر ثبت منطقه‌ای اینترنت(Regional Internet Registry یا RIR) تخصیص نشانی‌ها در جهان را مدیریت می‌کند. هر RIR یک پایگاه داده WHOIS دارد که برای جستجوی عموم در دسترس است و حاوی اطلاعات مربوط به تخصیص آی پی هاست. اطلاعات این پایگاه داده در بسیاری از ابزارهایی که مکان جغرافیایی یک نشانی آی پی را مشخص می‌کنند نقش مرکزی دارد.
از تقریباً ۴ میلیارد نشانی آی پی، سه دامنه از آن برای شبکه بندی خصوصی رزرو شده‌اند. این دامنه نشانی‌ها خارج از شبکه‌های خصوصی قابل مسیر یابی نیستند و ماشین‌های خصوصی نمی‌توانند مستقیماً با شبکه‌های عمومی ارتباط داشته باشند، اما می‌توانند از طریق ترجمه نشانی شبکه(NAT) این کار را انجام دهند.
دامنه‌های زیر سه دامنه‌ای هستند که برای شبکه‌های خصوصی رزرو شده‌اند.(RFC 1918) بسته‌هایی که نشانی خصوصی داشته باشند، عمداً توسط مسیریاب‌ها نادیده گرفته می‌شوند. بنابراین برقراری ارتباط بین دو شبکه خصوصی بدون داشتن امکانات اضافی امکانپذیر نیست. برای انجام این کار می‌توان از شبکه خصوصی مجازی(VPN) استفاده کرد.
VPNها یک تونل ارتباطی بین دوشبکه و از طریق شبکه عمومی درست می‌کنند که دو سر انتهایی آن به عنوان مسیریابهایی برای بسته‌های شبکه‌های خصوصی عمل می‌کنند. این مسیریاب‌ها بسته‌ای را که نشانی خصوصی دارد پوشش می‌دهند و سرآیندهایی با نشانی قابل مسیر یابی در شبکه عمومی به بسته اضافه می‌کنند تا بتوانند آن را از راه شبکه عمومی به مسیریاب مقابل در انتهای دیگر تونل تحویل دهند و در آنجا سرآیندهای نشانی عمومی بسته حذف می‌شود و بسته اولیه به ماشین محلی مقصد تحویل داده می‌شود.
به صورت اختیاری می‌توان بسته‌های کپسول شده(پوشش داده شده) را برای حفظ امنیت داده درهنگام عبور از شبکه عمومی، رمزگذاری نمود.
RFC 5735 یک بلوک نشانی - ۱۶۹٫۲۵۴٫۰٫۰/۱۶ - برای استفاده ویژه در نشانی دهی پیوند-محلی تعریف می‌کند. این نشانی‌ها تنها در پیوند(مثل یک قطعه شبکه محلی ویا ارتباط نقطه به نقطه) معتبر هستند. این نشانی‌ها قابل مسیر یابی نیستند و نمی‌توانند نشانی مبدأ یا مقصد بسته‌ای باشند که از اینترنت عبور می‌کند. نشانی‌های پیوند-محلی برای پیکربندی خودکار(Autoconfiguration) میزبانهایی که قادر نیستند از طریق DHCP یا تنظیمات داخلی خود، نشانی بگیرند.
وقتی که این بلوک نشانی رزرو شد، هیچ ساز وکار استانداردی برای پیکربندی خودکارنشانی وجود نداشت. برای پر کردن این خلا مایکروسافت یک پیاده‌سازی از آن با عنوان نشانی دهی آی پی خصوصی خودکار(Automatic Private IP Addressing یا APIPA). به دلیل قدرت مایکروسافت در بازار، APIPA در میلیون‌ها ماشین به کار رفت و تبدیل به یک استاندارد عملی (غیر رسمی) شد. چندین سال بعد IETF یک استاندارد رسمی برای این کارکرد بانام "پیکربندی پویای نشانی‌های آی پی پیوند-محلی" به وجود آورد.(RFC 3927)
دامنه نشانی ۱۲۷٫۰٫۰٫۱ تا ۱۲۷٫۲۵۵٫۲۵۵٫۲۵۵ (۱۲۷٫۰٫۰٫۱/۸) برای ارتباط میزبان خانگی نشانی‌های درون این دامنه هرگز خارج از رایانه میزبان ظاهر نمی‌شوند و بسته‌هایی که به این نشانی فرستاده شوند به همان دستگاه مجازی شبکه بازمی‌گردند.
این تنهایک اشتباه عمومی است که گمان می‌رود هرگز نمی‌توان نشانی‌هایی که به ۰ یا ۲۵۵ ختم می‌شوند را به ماشینی تخصیص داد. این موضوع تنها در صورتی که پوشش زیرشبکه ۲۴ بیت یا بیشتر باشد صادق است. - شبکه‌های کلاس C یا مطابق نمادگذاری CIDR پوشش‌های زیرشبکه ۲۴/ تا ۳۲/ (۲۵۵٫۲۵۵٫۲۵۵٫۰ تا 255.255.255.255)
در نشانی دهی با کلاس تنها سه پوشش زیر شبکه(Subnet Mask) ممکن است: کلاس A - 255.0.0.0، کلاس B - 255.255.0.0 و کلاس C - 255.255.255.0 مثلاً در زیرشبک۱۹۲٫۱۶۸٫۵٫۰/۲۵۵٫۲۵۵٫۲۵۵٫۰ شناسه ۱۹۲٫۱۶۸٫۵٫۰ به کل زیرشبکه اشاره می‌کند و نمی‌تواند به یک ماشین تنها در آن زیر شبکه تخصیص داده شود.
یک نشانی پخشی (broadcast address) به نشانی گفته می‌شود که اجازه می‌دهد اطلاعات به تمام ماشین‌های یک زیر شبکه فرستاده شود. آدرس پخشی یک زیر شبکه طی یک عملیات "یا" ی بیتی بین مکمل بیتی پوشش زیر شبکه و شناسه شبکه به دست می‌آید. در مورد مثال بالا نشانی پخشی ۱۹۲٫۱۶۸٫۵٫۲۵۵ خواهد بود. برای جلوگیری از اشتباه این نشانی نیز قابل تخصیص دادن به ماشین‌ها نمی‌باشد. در یک شبکه کلاس A یا B یا C نشانی پخشی همیشه به ۲۵۵ ختم می‌شود.
با اختراع CIDR آدرس‌های پخشی الزاماً به ۲۵۵ ختم نمی‌شوند.
به‌طور کلی اولین آدرس هر زیرشبکه، نشانی شبکه و آخرین آدرس نشانی پخشی آن شبکه هستند و بقیه نشانی‌ها را می‌توان برای ماشین‌های شبکه استفاده کرد.
میزبان‌های روی اینترنت معمولاً به جای نشانی آی پی با نام دامنه شناخته می‌شوند (مانند fa.wikipedia.com، iran.ir، google.com) اما مسیریابی در اینترنت بر اساس نام نیست و با استفاده از نشانی آی پی که به این نام‌های دامنه تعلق می‌گیرد، بسته‌ها مسیریابی می‌شوند. پس لازم است که نام‌های دامنه به نشانی‌های آی پی ترجمه شوند.
سامانه نام دامنه(DNS) کار تبدیل نام‌ها به نشانی‌ها و نشانی‌ها به نام‌ها را انجام می‌دهد. DNS ساختار سلسله مراتبی دارد و می‌تواند ترجمه یک فضای نام را به کارساز(سرور)های DNS دیگر بسپارد.
سامانه نام دامنه قابل قیاس با راهنمای تلفن است که نام‌ها را به شماره تلفن تبدیل می‌کند.
به دلیل رشد سریع اینترنت. نشانی‌های تخصیص نیافته پروتکل اینترنت رو به اتمام است. عوامل زیر باعث سرعت بخشیدن به اتمام نشانی هاست:
راه حل استاندارد مهاجرت به پروتکل اینترنت نسخه ۶ است. اما روش‌های زیر نیز باعث کندترشدن اتمام نشانی هاست:
کمبود نشانی‌های آی پی از دهه ۱۹۹۰ باعث پیدایش روش‌های استفاده کارآمد تر از نشانی‌ها شد. یکی از این روش‌ها ترجمه نشانی شبکه است. دستگاه‌های NAT کل شبکه خصوصی را پشت یک نشانی آی پی عمومی پنهان می‌کنند. بسیاری از ارائه دهندگان اینترنت از این روش استفاده می‌کنند. یک بسته آی پی از دو بخش سرآیند و داده تشکیل می‌شود
سرآیند بسته آی پی نسخه ۴ از ۱۳ فیلد تشکیل می‌شود که ۱۲ تای آن‌ها اجباری هستند. فیلد سیزدهم اختیاری است. این فیلدها به گونه‌ای در سرآیند بسته‌بندی می‌شوند که پرارزش‌ترین بایت در ابتدا بیاید.آخرین فیلد بسته جزو سرآیند نیست و در محاسبه مجموع مقابله‌ای استفاده نمی‌شود. محتویات فیلد داده در فیلد پروتکل سرآیند مشخص می‌شود و می‌تواند هر یک از پروتکل‌های لایه انتقال باشد.
برخی از مهم‌ترین پروتکل‌ها به همراه شماره پروتکل به قرار زیر است:
برای مشاهده لیست کامل، لیست شماره پروتکلهای آی پی را ببینید.
آی پی پروتکلی است که میان شبکه بندی را در لایه اینترنت امکانپذیر می‌کند و از این رو اینترنت را می‌سازد. آی پی از یک سیستم نشانی دهی منطقی استفاده می‌کند. نشانی‌های آی پی به سخت افزار گره نخورده‌اند و یک واسط شبکه می‌تواند چندین نشانی آی پی داشته باشد. میزبان‌ها و مسیریاب‌ها نیاز دارند که ارتباط بین واسطهای دستگاه و نشانه‌های آی پی را بفهمند تا بتوانند به درستی یک بسته آی پی را روی لینک به مقصد تحویل دهند. پروتکل ترجمه نشانی (ARP) ترجمه ازنشانی‌های آی پی به نشانی‌های فیزیکی (MAC Address) را انجام می‌دهد. پروتکل پیکربندی پویای میزبان (DHCP) برای تخصیص خودکار نشانی به میزبان‌ها به کار می‌رود. پایان یافتن آدرسها: