互联网协议和寻址

互联网协议提供无连接的尽力而为的数据包传输服务，跨互联网络传输数据包，并通过IP地址识别每个接口，其结构支持分层路由，从而使全球互联网具有可扩展性。

Definition

互联网协议是一种网络层协议，它使用尽力而为的无连接服务，在互联网上将数据报从源主机传输到目标主机；IP地址是为此目的分配给网络接口的分层数字标识符。

Scope

本主题涵盖网络层数据报服务：IPv4和IPv6数据包格式、IP地址的含义和结构、用于分层地址分配的子网划分和无类别域间路由（CIDR）、分片，以及DHCP（用于地址分配）和NAT（用于地址共享）等支持机制。它将寻址视为路由的基础，但不包括路由算法和协议本身，这些将在其他地方单独介绍。

Core questions

• IP提供什么样的服务模型，尽力而为的传输意味着什么？
• IPv4和IPv6地址是如何构建的，它们的数据包格式有何不同？
• 子网划分和CIDR如何实现分层、可聚合的寻址？
• 地址是如何分配给主机的，例如通过DHCP？
• 什么问题导致了IPv6以及NAT等机制的出现？

Key concepts

• 尽力而为传输
• IPv4和IPv6数据包格式
• IP地址
• 网络和主机部分
• 子网划分
• 无类别域间路由（CIDR）
• 分片和重组
• DHCP
• 网络地址转换（NAT）

Key theories

尽力而为的无连接数据报服务

IP独立转发每个数据报，不保证传输、排序或时序；这种简单性使网络核心保持无状态和健壮，将可靠性和排序推迟到终端主机的传输层处理。

分层寻址和CIDR

IP地址被划分为网络部分和主机部分，以便路由器可以在单个前缀下聚合许多地址；无类别域间路由通过可变长度前缀将其泛化，从而抑制路由表增长。

IPv6的地址空间扩展

IPv6用128位地址和简化的报头取代了IPv4的32位地址，解决了地址耗尽问题，并增加了无状态自动配置等功能，同时在漫长的过渡期内与IPv4共存。

Clinical relevance

IP寻址是互联网可达性的基础：每个连接的设备都需要一个地址，地址的分配和聚合方式决定了全球路由系统的规模和稳定性。地址耗尽推动了NAT的部署以及向IPv6的持续迁移，这些决策塑造了数十亿设备的网络设计、安全性以及连接性。

History

IPv4在RFC 791（1981年）中被指定，具有32位地址空间和最初的基于类的分配方案。互联网的快速增长导致了CIDR（1990年代中期）的出现，以减缓路由表和地址耗尽，并导致了NAT的出现，以共享稀缺地址。IPv6具有128位地址，于1990年代设计，并最终确定为RFC 8200（2017年），其部署此后稳步增长。

Debates

NAT作为权宜之计与端到端寻址

网络地址转换通过让许多主机共享一个地址延长了IPv4的寿命，但它打破了端到端寻址原则，并使点对点连接复杂化；IPv6的支持者认为恢复全球唯一地址是正确的解决方案。

Key figures

• Jon Postel
• Vinton Cerf
• Steve Deering
• Robert Hinden

Seminal works

• rfc791
• rfc8200
• kurose2021

Frequently asked questions

尽力而为的传输意味着什么？

尽力而为意味着IP尝试传输每个数据报，但不作任何保证：数据包可能会丢失、重复、延迟或乱序。这使得网络保持简单和弹性，并将可靠性和排序的添加留给更高层（例如TCP），以满足应用程序的需求。

如果IPv6已经存在，为什么我们仍然使用IPv4？

IPv6的采用需要更新整个互联网上的主机、路由器和应用程序，因此过渡是渐进的。NAT等技术使得IPv4在地址稀缺的情况下仍能继续工作，并且IPv4和IPv6并行运行；迁移仍在继续，而不是一次性完成。