網絡網絡層之(4)IPv4協議

在網路工程中，互聯網協議版本 4（英語：Internet Protocol version 4，縮寫為 IPv4）是一種無連接的傳輸層協義，用於尋址和路由封包通過因特網和其他數字廣域網（WAN）。它是在 1980 年代早期設計的，並且是當今最常用的 IP 版本。本文將詳細介紹 IPv4 的運作方式及其在現代通訊中的重要性。

IPv4 地址是一個 32 位元的數字表示法，通常以點分十進位形式表示，例如 192.168.1.1。每個號碼段代表一個八位元組，而整個地址被稱為單播地址，因為它允許數據包被發送到特定的目標設備。此外，還有其他類型的 IPv4 地址，如多播地址（用於同時向多個系統發送消息）和任何cast 地址（用於廣播到同一個子網上的所有系統）。

IPv4 封包由不同的部分組成，包括標頭和有效負載。標頭包含資訊，比如目的地的 IPv4 地址、源地址、標頭長度、分片資訊以及各種標誌位元，這些都對正確的路由和交付至關重要。有效負載則包含實際要傳遞的資料或應用程式訊息。

IPv4 在處理流量時使用基於距離向量演算法的路由表。這意味著每臺路由器都會儲存一張表格，其中包含了到達特定目的地所需經過的下一跳路由器的路線。透過這種方法，資料包可以從原始位置按順序移動到其目的地，即使途中有許多不同網段的轉換也是如此。

然而，隨著時間的推移，IPv4 面臨的主要挑戰之一是其有限的編址空間，即只有大約 43 億個獨特的 IPv4 地址可用。這限制了可連接到網際網路的裝置數量，並導致了嚴重的編址短缺問題，特別是在家庭和行動裝置快速增長的情況下。為了應對這一挑戰，人們開發了新的解決方案，如 NAT（網路地址轉譯）和 CIDR（無類別域間路由），這些技術有助於節省和重複利用 IPv4 位元空間。

儘管 IPv4 有其侷限性，但它仍然是現今全球因特網的主導協議。隨著 IPv6 等新標準的出現，正在進行過渡工作以實現更高效和擴展能力更高的解決方案。不過，由於成本和相容性的考慮，這個過程可能需要一段相當長的時間才能完全完成。因此，IPv4 仍將在未來的一段時期內發揮重要作用，直到全面採納 IPv6 成為主流。