Úvod do IPv4: Základní kámen internetové komunikace
Internetový protokol verze 4, známý jako IPv4, byl prvním protokolem, který byl zaveden Ministerstvem obrany Spojených států v rámci projektu ARPANET. Jeho klíčovou vlastností je schopnost generovat miliardy unikátních IP adres. Ačkoli byl IPv4 zprovozněn již v roce 1983, s rapidním nárůstem počtu IoT zařízení se blížíme k vyčerpání dostupných adres. Tento článek se zabývá podstatou adresy IPv4, jejími výhodami, nevýhodami a principy fungování.
Co je to IPv4 adresa?
IPv4 je základní verzí internetového protokolu. Používá 32bitový adresní prostor, což z ní činí nejrozšířenější typ IP adresy. Tato 32bitová adresa je zapsána jako čtyři čísla oddělená tečkami. Každá z těchto číselných sad se nazývá oktet. Hodnoty v každém oktetu se pohybují od 0 do 255. IPv4 je teoreticky schopno vytvořit až 4,3 miliardy jedinečných IP adres. Příkladem IPv4 adresy je 192.168.1.100. V následující části si vysvětlíme, jak lze IPv4 adresu převést do binární podoby.
Struktura IPv4 adresy
IP adresa se skládá ze tří hlavních komponent:
- Síťová část: Identifikuje síť, do které IP adresa patří. Tato část se nachází na levé straně IP adresy a je společná pro všechna zařízení v dané síti.
- Hostitelská část: Unikátně identifikuje konkrétní zařízení v rámci sítě. Tato část se liší pro každé zařízení.
Pro ilustraci, v adrese 192.168.1.100 jsou části sítě a hostitele následující:
192
168
1
100
Síťová část
Hostitelská část
- Číslo podsítě: Toto je volitelná část, která umožňuje rozdělit IP adresu do menších segmentů. Pomáhá efektivně spravovat sítě a snižovat zbytečný provoz.
Převod IPv4 adres do binární podoby
Zatímco IPv4 adresa je pro nás reprezentována jako 32bitové číslo, počítače a síťová zařízení pracují v binárním kódu. Proto je důležité rozumět, jak se IP adresy převádějí do binární formy. Každý oktet v IP adrese je reprezentován 8 bity. Využijeme 8bitový oktetový graf, kde každá pozice bitu má svou specifickou hodnotu.
Pro názornost, převedeme IP adresu 192.168.1.100 do binární podoby. První oktet má hodnotu 192. K dosažení hodnoty 192, musíme sečíst 128 a 64. V binární reprezentaci to znamená, že na pozicích bitů s hodnotami 128 a 64 budou jedničky, zatímco ostatní pozice budou nuly.
128
64
32
16
8
4
2
1
1
1
0
0
0
0
0
0
Binární reprezentace čísla 192 je tedy 11000000. Stejný postup se aplikuje na všechny oktety.
128
64
32
16
8
4
2
1
168
1
0
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
1
0
0
1
1
1
1
1
0
100
0
1
1
0
0
1
0
0
Výsledná binární adresa pro 192.168.1.100 je tedy 11000000.10101000.00000001.01100100.
IPv4 a model OSI
Model OSI (Open Systems Interconnection) je standardní model pro popis komunikačních systémů. Skládá se ze sedmi vrstev, z nichž každá má specifickou funkci v procesu komunikace. Model OSI zahrnuje tyto vrstvy:
- Aplikační vrstva (7): Nejbližší vrstva k uživateli. Zajišťuje interakci mezi aplikacemi a sítí (např. Telnet, FTP).
- Prezentační vrstva (6): Stará se o transformaci dat mezi aplikačním a síťovým formátem, včetně šifrování.
- Relační vrstva (5): Spravuje relace mezi dvěma komunikujícími zařízeními (např. ověření hesla).
- Transportní vrstva (4): Zajišťuje spolehlivý přenos dat, včetně kontroly rychlosti a cíle dat (protokoly TCP/IP a UDP).
- Síťová vrstva (3): Odpovídá za směrování datových paketů do cílového místa.
- Linková vrstva (2): Přenáší data z fyzické vrstvy do vyšších vrstev a stará se o opravu chyb.
- Fyzická vrstva (1): Definuje fyzické parametry, jako jsou kabely, konektory a napětí.
Struktura IPv4 paketu
IPv4 paket se skládá ze dvou částí: hlavičky a dat. Celková velikost paketu může dosahovat až 65 535 bajtů. Hlavička má proměnlivou délku od 20 do 60 bajtů a obsahuje informace o zdrojové a cílové adrese a další parametry nutné pro doručení paketu.
Hlavička IPv4 paketu
Hlavička IPv4 paketu obsahuje 13 povinných polí, z nichž každé má specifický účel:
- Verze: 4bitové pole, které udává verzi protokolu IP.
- Délka internetové hlavičky (IHL): Udává délku celé hlavičky v 32bitových slovech.
- Typ služby: Definuje prioritu a kvalitu služby pro datové pakety.
- Celková délka: Udává celkovou délku paketu (hlavička + data).
- Identifikace: Identifikuje fragmenty datových paketů.
- ECN: Explicit Congestion Notification – signalizuje přetížení sítě.
- Příznaky: Informují o potřebě fragmentace paketu.
- Fragment Offset: Definuje pozici fragmentovaných dat v rámci paketu.
- Time to Live (TTL): Určuje maximální dobu životnosti paketu, brání jeho nekonečnému putování po síti.
- Protokol: Udává, jaký protokol je použit na vyšší vrstvě.
- Kontrolní součet záhlaví: Používá se pro kontrolu chyb v záhlaví.
- Zdrojová IP adresa: 32bitová adresa odesílatele.
- Cílová IP adresa: 32bitová adresa příjemce.
- Možnosti: Volitelné pole pro další parametry, použité, pokud je IHL větší než 5.
Charakteristika IPv4
Základní vlastnosti IPv4:
- Používá 32bitové IP adresy.
- Adresy jsou zapsány jako čtyři čísla oddělená tečkami.
- Podporuje unicast, multicast a broadcast adresování.
- Má 12 polí v hlavičce.
- Umožňuje použití VLSM (Variable Length Subnet Mask).
- Využívá ARP pro mapování IP na MAC adresy.
- Sítě jsou konfigurovány pomocí DHCP nebo manuálně.
Výhody a nevýhody IPv4
Výhody IPv4:
- Osvědčená a dobře kompatibilní technologie.
- Efektivní směrovací mechanismy.
- Poskytuje spolehlivé kódování IP adres.
- Snadné připojení více zařízení do sítě.
- Specifický komunikační prostředek v multicastových organizacích.
Nevýhody IPv4:
- Blíží se k vyčerpání dostupných adres.
- Správa IPv4 sítí je složitá a časově náročná.
- Neefektivní internetové směrování.
- Volitelné bezpečnostní funkce.
***
I přes nástup modernějšího protokolu IPv6, zůstává IPv4 stále široce používán díky své kompatibilitě. Doufáme, že vám tento článek poskytl ucelený přehled o tom, co je IPv4 adresa. Pokud máte jakékoli dotazy nebo návrhy, neváhejte je sdílet v sekci komentářů.