什么是IPv4？解剖、功能和局限性

Michael Lee

Expert Network Defense Engineer

26-Nov-2025

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探索 IPv4 的基本知识，它如何使设备在网络上进行通信，以及在互联网爆炸性增长中存在的局限性。

**IPv4（互联网协议版本 4）**是一组基础规则，管理设备在网络（包括互联网）上的通信。简而言之，它使设备能够相互发现并交换数据，充当全球网络的地址系统。

IPv4 使用 32 位地址，这限制了唯一地址的总数约为 43 亿。虽然在互联网早期这似乎足够，但连接设备的快速增长导致了可用 IPv4 地址空间的枯竭。尽管存在这一局限性，IPv4 在行业中仍然被广泛使用，与其继任者 IPv6 并行使用1。

IPv4 地址的结构

IPv4 地址通常表示为由点分隔的四部分代码，称为 点十进制表示法（例如，192.168.1.1）。每个部分称为 八位组，是表示 0 到 255 之间值的 8 位数字。

关键组成部分：

八位组： 四个部分中的每一个都是一个八位组，包含 8 位数据。因为 $2^8 = 256$，所以每个八位组的值可以从 0 到 255。
网络部分（NetID）： 前面的八位组标识设备所属的特定网络，类似于邮政编码。
主机部分（HostID）： 剩余的八位组指定网络中的单个设备，就像门牌号码。

子网掩码在地址分配中的作用

子网掩码是一个 32 位数字，它定义了 IPv4 地址中网络部分和主机部分之间的划分。它充当过滤器，告诉网络地址的哪一部分识别网络，哪一部分识别单个设备。

例如，一个常见的子网掩码是 255.255.255.0。在二进制中，255 的八位组都是 1，与网络部分相对应。这个掩码为网络分配前面的三个八位组（24 位）和最后一个八位组（8 位）来识别网络中的主机。使用子网掩码可以创建更小、更易管理的子网络，有助于在特定域内有效地分配 IP 地址。

IPv4 的功能

IPv4 执行的不仅仅是唯一设备标识的几个关键功能：

路由： IPv4 促进路由过程，引导数据包通过互连的网络从源头到目的地。路由器使用 IP 地址信息确定数据包传递的最佳路径。
分段： 如果数据包的大小超过网络或设备的限制，IPv4 包含一种机制将数据包划分为较小的片段。这些片段由接收方重新组装以重建原始数据包。
服务处理： IPv4 支持各种服务处理选项，例如 **服务质量（QoS）**和 区分服务（DiffServ），使数据包能够根据应用需求进行优先级排序和分组。
网络地址转换（NAT）： NAT 是一种技术，它在连接到互联网时将局域网内使用的私有 IP 地址转换为公共 IP 地址。这使得局域网内多个设备能够共享一个公共 IP 地址，这在缓解 IP 地址短缺问题时至关重要2。
确保端到端通信： 每个设备都有一个唯一的 IP 地址，路由器使用路由协议共享有关连接网络的信息，创建一种图，使数据包能高效地根据目的 IP 转发。

使用 IPv4 的好处

尽管它的年龄和局限性，IPv4 仍然具有几个优点：

简单和高效： IPv4 数据包较小的头部大小使路由器能够更快地处理，促进了更顺畅的数据流。它更简单的结构也使网络配置和故障排除变得不那么复杂。
广泛采纳和兼容性： 几乎所有在线设备和服务都使用 IPv4，确保了无缝通信和访问。它是互联网的通用语言。
成熟技术： 数十年的使用使得IPv4成为一种强大且可靠的技术。已有成熟的知识基础，以及明确的最佳实践、工具和专业知识可随时获得。
广播功能： IPv4支持广播消息，可以一次性发送给网络上的所有设备，简化了网络公告或发现等任务。

IPv4的挑战与限制

在现代，IPv4的主要挑战是其地址空间的固有限制。

地址空间限制

约43亿个唯一地址的限制已不足以满足全球对唯一IP地址的需求，尤其是在智能手机、平板电脑和物联网设备迅猛增长的情况下。这种耗尽促使了像NAT这样的解决方案，虽然有效，但可能使某些类型的互联网通信变得复杂，并没有解决地址稀缺的根本问题。

安全隐患

IPv4是在互联网安全并不是首要关注点的时代设计的。因此，它缺乏内置安全功能，使其容易受到各种攻击，包括IP欺骗和拒绝服务（DoS）攻击。虽然存在像IPSec这样的附加安全协议，但它们是可选的，并未内置于IPv4中，留下了潜在的安全漏洞。

路由效率和可扩展性问题

由于IP地址分配和路由的方式，IPv4路由基础设施可能效率低下。这可能导致路由表更大、路由器处理时间增加，最终在互联网持续增长时，导致互联网速度变慢。

前进方向：向IPv6过渡

为了解决这些挑战，互联网正在逐渐过渡到IPv6。IPv6使用128位地址，提供了极大的地址空间（$2^{128}$个唯一地址）、内置安全功能、更高效的路由和改进的质量保障能力。

过渡是一个缓慢且持续的过程，但网络团队正在采取多种技术来简化这一进程：

双栈网络： 在网络上同时运行IPv4和IPv6，允许设备使用其支持的任何协议进行通信。
隧道： 将IPv6数据包封装在IPv4数据包中，使其能够通过现有的IPv4基础设施传输。
转换机制： 在IPv4和IPv6地址之间转换的协议，使使用不同协议的设备能够通信。

IPv4和代理解决方案

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结论

IPv4是一项开创性技术，为现代互联网奠定了基础。尽管其地址空间的限制推动了对IPv6的需求，但它仍然是全球网络基础设施的重要组成部分。了解其结构、功能和限制对于任何从事网络或数据收集工作的人都至关重要。对于希望发挥IPv4和IPv6两者优势的人，像Scrapeless这样的提供商提供了必要的工具和地址多样性，以确保具有未来保障的功能。