网际协议版本4（英语：Internet Protocol version 4，IPv4），又称互联网通信协议第四版，是网际协议开发过程中的第四个修订版本，也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心，也是使用最广泛的网际协议版本，其后继版本为IPv6，直到2011年，IANA IPv4位址完全用尽时，IPv6仍处在部署的初期。
- 中文名
- 网际协议版本4
- 外文名
- IPv4
- 别 名
- 网络通信协议
- 简 称
- 网协版4
- 全 称
- Internet Protocol Version 4
- 地址长度
- 32位,4字节
网际协议版本4（英语：InternetProtocolversion4，IPv4），又称互联网通信协议第四版，是网际协议开发过程中的第四个修订版本，也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心，也是使用最广泛的网际协议版本，其后继版本为IPv6，直到2011年，IANAIPv4位址完全用尽时，IPv6仍处在部署的初期。
IPv4使用32位（4字节）地址，因此地址空间中只有4,294,967,296（2）个地址。不过，一些地址是为特殊用途所保留的，如专用网络（约1800万个地址）和多播地址（约2.7亿个地址），这减少了可在互联网上路由的地址数量。随着地址不断被分配给最终用户，IPv4地址枯竭问题也在随之产生。基于分类网络、无类别域间路由和网络地址转换的地址结构重构显著地减少了地址枯竭的速度。但在2011年2月3日，在最后5个地址块被分配给5个区域互联网注册管理机构之后，IANA的主要地址池已经用尽。
下表展示了几种不同的格式：
分配
为了克服这个限制，在随后出现的分类网络中，地址的高位字节被重定义为网络的类(Class)。这个系统定义了五个类别：A、B、C、D和E。A、B和C类有不同的网络类别长度，剩余的部分被用来识别网络内的主机，这就意味着每个网络类别有着不同的给主机编址的能力。D类被用于多播地址，E类被留作将来使用。
CIDR被设计为可以重新划分地址空间，因此小的或大的地址块均可以分配给用户。CIDR创建的分层架构由互联网号码分配局（IANA）和区域互联网注册管理机构（RIR）进行管理，每个RIR均维护着一个公共的WHOIS数据库，以此提供IP地址分配的详情。
特殊用途的地址
CIDR地址块 | 描述 | 参考资料 |
|---|---|---|
0.0.0.0/8 | 本网络（仅作为源地址时合法） | RFC 5735 |
10.0.0.0/8 | ||
100.64.0.0/10 | RFC 6598 | |
127.0.0.0/8 | RFC 5735 | |
169.254.0.0/16 | 链路本地 | RFC 3927 |
172.16.0.0/12 | ||
192.0.0.0/24 | 保留（IANA） | RFC 5735 |
192.0.2.0/24 | TEST-NET-1，文档和示例 | RFC 5735 |
192.88.99.0/24 | 6to4中继 | RFC 3068 |
192.168.0.0/16 | ||
198.18.0.0/15 | 网络基准测试 | RFC 2544 |
198.51.100.0/24 | TEST-NET-2，文档和示例 | RFC 5737 |
203.0.113.0/24 | TEST-NET-3，文档和示例 | RFC 5737 |
224.0.0.0/4 | 多播（之前的D类网络） | RFC 3171 |
240.0.0.0/4 | 保留（之前的E类网络） | RFC 1700 |
255.255.255.255 | 受限广播 | RFC 919 |
专用网络
主条目：专用网络
在IPv4所允许的大约四十亿地址中，三个地址块被保留作专用网络。这些地址块在专用网络之外不可路由，专用网络之内的主机也不能直接与公共网络通信。但通过网络地址转换（NAT），使用这些地址的主机可以像拥有共有地址的主机在互联网上通信。
名字 | 地址范围 | 地址数量 | 有类别的描述 | |
|---|---|---|---|---|
24位块 | 10.0.0.0–10.255.255.255 | 16,777,216 | 一个A类 | 10.0.0.0/8 |
20位块 | 172.16.0.0–172.31.255.255 | 1,048,576 | 连续的16个B类 | 172.16.0.0/12 |
16位块 | 192.168.0.0–192.168.255.255 | 65,536 | 连续的256个C类 | 192.168.0.0/16 |
主条目：虚拟专用网
通常情况下，路由器根据数据报文的目的地址决定转发数据报文的下一跳地址。使用专用网络地址作为目的地址的数据包通常无法被公共路由器正确送达，因为公共路由器没有相应的路由信息，即无法得知如何才能转发到该IP地址。因此，这就需要通过一种方法，将指引数据报文转发的下一跳地址和真正要传输的目的地址分离开。于是就使用虚拟专用网，将IP报文封装在其他报文内，以便于通过公网上的公共路由器，达到能处理该报文内层数据的网络设备上解除报文后，该数据包可以被继续转发到目的地址。
主条目：链路本地地址
RFC 5735中将地址块169.254.0.0/16保留为特殊用于链路本地地址，这些地址仅在链路上有效（如一段本地网络或一个端到端连接）。这些地址与专用网络地址一样不可路由，也不可作为公共网络上报文的源或目的地址。链路本地地址主要被用于地址自动配置：当主机不能从DHCP服务器处获得IP地址时，它会用这种方法生成一个。
当这个地址块最初被保留时，地址自动配置尚没有一个标准。为了填补这个空白，微软创建了一种叫自动专用IP寻址（APIPA）的实现。因微软的市场影响力，APIPA已经被部署到了几百万机器上，也因此成为了事实上的工业标准。许多年后，IETF为此定义了一份正式的标准：RFC 3927，命名为“IPv4链路本地地址的动态配置”。
主条目：127.0.0.1
地址块127.0.0.0/8被保留作环回通信用。此范围中的地址绝不应出现于主机之外，发送至此地址的报文被作为同一虚拟网络设备上的入站报文（环回），主要用于检查TCP/IP协议栈是否正确运行和本机对本机的链接。
以0或255结尾的地址
在有类别的编址中，只有三种可能的子网掩码：A类：255.0.0.0，B类：255.255.0.0，C类：255.255.255.0。如，在子网192.168.5.0/255.255.255.0（即192.168.5.0/24）中，网上识别码192.168.5.0用来表示整个子网，所以它不能用来标识子网上的某个特定主机。
广播地址允许数据包发往子网上的所有设备。一般情况下，广播地址是借由子网掩码的比特反码并和网上识别码运行 OR 的比特运算得到，即广播地址是子网中的最后一个地址。在上述例子中，广播地址是192.168.5.255，所以为了避免歧义，这个地址也不能被分配给主机。在A、B和C类网络中，广播地址总是以255结尾。
但是，这并不意味着每个以255结尾的地址都不能用做主机地址。比如，在B类子网192.168.0.0/255.255.0.0（即192.168.0.0/16）中，广播地址是192.168.255.255（主机位全1）。在这种情况下，尽管可能带来误解，但192.168.1.255、192.168.2.255等地址可以被分配给主机。同理，192.168.0.0作为网上识别码不能被分配，但192.168.1.0、192.168.2.0等都是可以的。
随着CIDR的到来，广播地址不一定总是以255结尾（广播地址是指主机位都为1的地址，255只是其中一种情况）。比如，子网203.0.113.16/28的广播地址是203.0.113.31。过程如下：
网络：203.0.113.16
掩码：255.255.255.240
掩码反码：0.0.0.15
OR操作：
00010000 | 00001111 = 00011111 =31
一般情况下，子网的第一个和最后一个地址分别被作为网上识别码和广播地址，任何其它地址都可以被分配给其上的主机。
主条目：域名系统
互联网上的主机通常被指定，但IP报文的路由是由IP地址而不是这些名字决定的。这就需要将域名翻译（解析）成地址。
域名系统（DNS）提供了域名转换为IP地址的服务。与CIDR相像，DNS是层级结构。
- 互联网用户的急速增长；
随着互联网的增长，各种各样的技术随之产生以应对IPv4地址的耗尽，如：
广泛被接受且已被标准化的解决方案是迁移至IPv6。IPv6的地址长度从IPv4的32位增长到了128位，以此提供了更好的路由聚合，也为最终用户分配最小为2个主机地址的地址块成为可能。迁移过程正在进行，但其完成仍需要相当的时间。
主条目：网络地址转换
对地址的快速分配和其造成的地址短缺促成了许多有效应用地址的方法，其中一种就是网络地址转换（NAT）。
主条目：IP分片
互联网协议（IP）是整个互联网架构的基础，可以支持不同的物理层网络，即IP层独立于链路层传输技术。不同的链路层不仅在传输速度上有差异，还在帧结构和大小上有所不同，不同MTU参数描述了数据帧的大小。为了实现IP数据包能够使用不同的链路层技术，需要将IP数据包变成适合链路层的数据格式，IP报文的分片即是IP数据包为了满足链路层的数据大小而进行的分割。
分片
当设备收到IP报文时，分析其目的地址并决定要在哪个链路上发送它。MTU决定了数据载荷的最大长度，如IP报文长度比MTU大，则IP数据包必须进行分片。每一片的长度都小于等于MTU减去IP首部长度。接下来每一片均被放到独立的IP报文中，并进行如下修改：
- 总长字段被修改为此分片的长度；
- 更多分片（MF）标志被设置，除了最后一片；
- 分片偏移量字段被调整为合适的值；
- 首部检验和被重新计算。
如果报文经过路径的MTU减小了，那么分片可能会被再次分片。
比如，一个4,500字节的数据载荷被封装进了一个没有选项的IP报文（即总长为4,520字节），并在MTU为2,500字节的链路上传输，那么它会被破成如下两个分片：
# | 总长 | 更多分片（MF）？ | DF | 分片偏移量 | |
|---|---|---|---|---|---|
首部 | 数据 | ||||
1 | 2500 | 是 | 0 | 0 | |
20 | 2480 | ||||
2 | 2040 | 否 | 0 | 310 | |
20 | 2020 | ||||
# | 总长 | 更多分片（MF）？ | DF | 分片偏移量 | |
|---|---|---|---|---|---|
首部 | 数据 | ||||
1 | 1500 | 是 | 0 | 0 | |
20 | 1480 | ||||
2 | 1020 | 是 | 0 | 185 | |
20 | 1000 | ||||
3 | 1500 | 是 | 0 | 310 | |
20 | 1480 | ||||
4 | 560 | 否 | 0 | 495 | |
20 | 540 | ||||
第3和4片是从原始第2片再次分片而来，所以除了分片后的最后一个分片外MF为都为1。
重组
当一个接收者发现IP报文的下列项目之一为真时：
- DF标志为0；
- 分片偏移量字段不为0。
互联网协议定义并激活了网络层，它使用一个逻辑地址系统。IP地址并不以任何永久的方式绑定到硬件，而且事实上一个网络接口可以有许多IP地址。为了正确地交付一份报文，主机和路由器需要其它机制来识别设备接口和IP地址之间的关联。地址解析协议（ARP）为IPv4执行这种IP地址到物理地址（MAC地址）的转换。
此外，反向操作有时候也是必须的，比如，一台主机在启动时需要知道自己的IP地址（除非地址已经被管理员预先设置）。被用于这一用途的协议有动态主机设置协议（DHCP）、引导协议（BOOTP）和比较不常用的RARP。 [2]
- 已分配的/8 IPv4地址块列表
- 区域互联网注册管理机构
- 各国IPv4位址分配列表
