互联网协议版本4（IPv4）

IPv4是互联网通信的基础协议，其核心原理是将数据分割为标准化分组进行寻址传输。以下分步说明其工作机制：

1. 地址结构
   IPv4地址为32位二进制数，通常表示为四段十进制数（如192.168.1.1）。地址空间包含约42亿个组合，通过点分十进制格式实现人机识别兼容。地址包含网络标识符和主机标识符两部分，子网掩码用于划分这两个部分。

2. 数据封装
   应用层数据被传输层添加端口号后，进入网络层封装。IPv4数据包头部包含20字节固定字段（含版本号、生存时间TTL、协议类型）和可选扩展字段。关键头部字段说明：

   • 源/目标地址：32位地址对
   • 首部校验和：验证头部完整性
   • 分片字段：实现大数据包的分割与重组

3. 路由机制
   路由器通过查询路由表进行转发决策，使用最长前缀匹配算法选择最佳路径。地址解析协议（ARP）在局域网内将IP地址映射为MAC地址，默认网关处理跨网段通信。路由协议如OSPF、BGP动态维护网络拓扑信息。

4. 地址分配体系
   采用无类别域间路由（CIDR）替代传统A/B/C类划分，提高地址利用率。网络地址转换（NAT）技术通过端口映射实现私有地址（10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16）与公有地址转换，缓解地址枯竭问题。

5. 局限性与发展
   地址耗尽促使IPv6诞生，但IPv4仍通过NAT、动态分配等技术维持运行。双栈技术、隧道转换等过渡方案保障协议演进期间的网络兼容性。