Мы уже много рассказывали о том, как устройства общаются в интернете: разбирали академическую модель OSI и практическую TCP/IP, а ещё объясняли, как работает DNS и зачем он нужен. Сегодня же сосредоточимся именно на IP и подробно разберем две версии этого протокола, выясним, когда и зачем они появились и в чем между ними разница.
Что такое IP и какие функции он выполняет?
IP (Internet Protocol) — базовый протокол сетевого уровня (3-й уровень модели OSI), который обеспечивает передачу данных между устройствами в сети. Если представить интернет как глобальную почтовую службу, то IP-адрес — это адрес получателя на конверте, а протокол IP — почтальоны и сортировочные центры, которые доставляют посылку по любому маршруту.
Две ключевые функции IP:
- Адресация: присвоение уникального ID каждому устройству.
- Маршрутизация: поиск кратчайшего пути для пакета данных от точки А до точки Б.
Важно: IP не гарантирует доставку и порядок — это уже задача транспортных протоколов (например, TCP), IP определяет, кому и куда в интернете передавать данные.
IP появился в 1970-х–1980-х годах вместе с зарождением ARPANET (предка современного интернета). Тогда никто не предполагал, что к сети будут подключаться не только компьютеры в университетах, но и автомобили, умные колонки и даже чайники и лампочки.
IPv4: когда появился, как работает, особенности
IPv4 (Internet Protocol version 4) появился в 1981 году (стандарт RFC 791) и стал основой массового интернета. Это 32-битное число, обычно записываемые как четыре числа от 0 до 255 через точку (например: 192.168.1.1 или 8.8.8.8 - публичный DNS Google).
32 бита дают теоретический максимум 2³² = 4 294 967 296 адресов. На практике часть диапазонов зарезервирована, поэтому общедоступный пул меньше.
В 1981 году это казалось огромным запасом. Но интернет вырос экспоненциально, особенно с появлением IoT-устройств. Сегодня уже практически все публичные адреса распределены. Провайдерам приходится стоять в очереди или покупать их на вторичном рынке.
Как устроена адресация IPv4
Для объяснения адресации и маршрутизации вновь воспользуемся аналогией с конвертом и почтовой службой.
IP-адрес — это «номер дома» в интернете. В IPv4 этот номер дома, как мы писали ранее, выглядит вот так: 192.168.1.10. В этом адресе всегда «зашиты» две части:
- Адрес сети (Улица): Первые цифры показывают, в какой группе (сети) находится устройство.
- Адрес хоста (Квартира): Последние цифры — это номер конкретного устройства в этой группе.
Маска подсети — это «инструкция», которая объясняет компьютеру, где заканчивается название «улицы» и начинается номер «квартиры». Если маска говорит, что первые три числа — это сеть, значит, устройства 192.168.1.10 и 192.168.1.15 живут на одной «улице» и могут общаться напрямую.
Как IPv4 доставляет пакеты
Когда вы отправляете данные, они упаковываются в IP-пакет (конверт). На конверте всегда написано два IP: от кого и кому.
Процесс доставки выглядит так:
- Проверка «улицы»: Компьютер смотрит на адрес получателя.
Если получатель на той же «улице» (в той же подсети), компьютер просто отдает ему пакет лично в руки. - Шлюз по умолчанию: Если получатель на другой «улице» (например, вы заходите на сайт Google), компьютер понимает, что сам не справится. Он несет пакет «почтальону» — вашему роутеру (его называют «основной шлюз»).
- Маршрутизация: Роутер смотрит на адрес получателя, сверяется со своей картой (таблицей маршрутизации) и перекидывает пакет следующему, более крупному роутеру.
- Финальная миля: Пакет прыгает от роутера к роутеру, пока не попадет в сеть получателя. Там местный роутер увидит номер «квартиры» и доставит пакет конкретному серверу или компьютеру.
Особенности IPv4
IPv4 — простой и понятный протокол, но многие его особенности сегодня считаются ограничениями:
- Привычный формат адресов
Адрес состоит из четырёх чисел через точку, его легко читать и запоминать человеку (192.168.1.1). Это одно из главных практических преимуществ IPv4. - Заголовок пакета переменной длины
Размер заголовка может быть от 20 до 60 байт. Из-за этого маршрутизаторам сложнее и дольше обрабатывать пакеты по сравнению с протоколами с фиксированным заголовком. - Фрагментация на маршрутизаторах
Если пакет не помещается в допустимый размер на каком-то участке сети, маршрутизатор может разбить его на части. Это увеличивает нагрузку на сеть и усложняет обработку трафика. - Широковещательная рассылка (broadcast)
Некоторые пакеты отправляются сразу всем устройствам в сегменте сети. При большом количестве устройств это создаёт лишний трафик и повышает нагрузку на сеть.
Почему IPv4 всё ещё живёт и какие «костыли» придумали
Официально свободные блоки IPv4 закончились еще в 2011–2019 годах (в зависимости от региона). Казалось бы, протокол должен был уйти в историю, но он до сих пор обслуживает большую часть интернета. Причина проста: инерция и колоссальные вложения. На IPv4 построены сети провайдеров, корпоративные гиганты и тонны оборудования. Переделать всё это за один день невозможно, поэтому инженеры долгие годы мастерски «откладывали» проблему нехватки адресов.
Что именно пошло не так?
Адресов стало не хватать из-за взрывного роста технологий: сначала в сеть вышли персональные компьютеры, затем смартфоны, а сегодня — миллиарды датчиков умного дома (IoT). Свободных запасов у регистраторов больше нет, и новые адреса сегодня получают не из «склада», а за счет перераспределения старых. Чтобы интернет при этом не «сломался», в него внедрили несколько мощных обходных решений.
Главный спаситель — NAT (Network Address Translation)
Это технология, которая буквально спасла IPv4 от мгновенной гибели. Работает она так: множество устройств внутри вашего дома или офиса получают «приватные» адреса (те самые 192.168.x.x), а в большой интернет все они выходят через один-единственный «публичный» адрес вашего роутера.
Но за это спасение пришлось заплатить свою цену:
- Лишняя нагрузка: Роутер вынужден постоянно вести огромные таблицы, чтобы помнить, какому именно ноутбуку в доме нужно вернуть ответ от сайта.
- Проблемы со связью: NAT сильно мешает технологиям, где нужен прямой доступ — видеозвонкам (VoIP), играм и передаче файлов (P2P).
- «Эффект толпы»: Когда тысячи пользователей сидят за одним публичным адресом, сайты часто принимают их за одного робота, засыпая капчами или блокировками.
Уплотнение и «Серые» адреса
Чтобы экономить еще сильнее, провайдеры внедрили CGNAT (NAT операторского уровня). Теперь не только ваша квартира, а целый район или город может сидеть за одним публичным IP-адресом. Для обычного пользователя это превращается в «серый» IP: к вашему компьютеру невозможно подключиться снаружи (например, чтобы зайти на домашний сервер или камеру наблюдения), а задержки в сети растут.
Также помогла технология CIDR (Classless Inter-Domain Routing) — это способ гибкого управления размером сетей.
Раньше IP-адреса выдавались жесткими блоками: маленькими (по 256 штук) или сразу огромными (по 65 тысяч и 16 миллионов). Если компании требовалось 500 адресов, ей приходилось брать блок на 65 тысяч, и большая часть адресов просто пропадала зря.
CIDR позволил «нарезать» сеть практически любого размера, кратного степени двойки. С его помощью маска сети стала переменной, что позволило выделять ровно столько адресов, сколько нужно конкретной организации.
В записи мы видим это как «слэш» после IP-адреса, например: /24 или /21. Это число (префикс) точно указывает, какая часть адреса относится к сети, а какая — к устройствам. Это позволило использовать остатки IPv4 максимально экономно и замедлить их полное исчерпание.
IPv6: Новое поколение
IPv6 (Internet Protocol version 6) придумали в середине 1990-х (стандарт RFC 2460 в 1998 году), когда стало ясно, что IPv4 надолго не хватит. Ключевое изменение — переход на 128-битную адресацию.
Как выглядит адрес IPv6
8 групп шестнадцатеричных цифр (например, 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334). Нули можно сокращать, а длинную последовательность нулей — заменить на ::
128 бит дают 2¹²⁸ адресов — запас, который закрывает не только нынешние устройства, но и рост на десятилетия вперёд. Таким образом, каждое устройство может иметь уникальный публичный адрес, и NAT как обязательная костыль-архитектура становится не нужен.
Что улучшили в IPv6, кроме количества адресов?
1. Скорость обработки: фиксированный заголовок
В старом IPv4 заголовок пакета постоянно менял свой размер, и маршрутизаторам приходилось тратить ресурсы, чтобы каждый раз его «пересчитывать». В IPv6 заголовок всегда имеет строго фиксированный размер — 40 байт. Благодаря этому роутеры обрабатывают пакеты гораздо быстрее, что критически важно при огромных скоростях современного интернета.
2. Снижение нагрузки: умная фрагментация
Если пакет данных в IPv4 оказывался слишком большим для какого-то участка сети, маршрутизаторы по пути сами «разрезали» его на куски (фрагментировали). В IPv6 эту работу переложили на плечи отправителя. Теперь маршрутизаторы не занимаются лишней работой, а просто пересылают данные, что делает сеть более стабильной и производительной.
3. Тишина в эфире: Multicast вместо Broadcast
В IPv4 существовал «широковещательный крик» (broadcast) — когда один запрос летел сразу всем устройствам в сети, создавая лишний шум. В IPv6 от этого отказались в пользу Multicast. Теперь пакеты доставляются только тем группам устройств, которым они действительно нужны. Это экономит трафик и бережет ресурсы ваших гаджетов.
4. Безопасность «из коробки» (IPsec)
В отличие от четвертой версии, где защиту нужно было «прикручивать» сверху, в IPv6 стандарт IPsec (шифрование и аутентификация) интегрирован в дизайн протокола изначально. Это значительно упрощает создание защищенных каналов связи и повышает общий уровень приватности в сети.
5. Упрощенная настройка: Автоконфигурация и SLAAC
Подключать устройства стало проще. Благодаря функции SLAAC (Stateless Address Autoconfiguration), гаджет может самостоятельно настроить себе IP-адрес, просто получив небольшую подсказку от роутера. Необходимость в сложной ручной настройке уходит в прошлое.
6. Новая иерархия адресов
IPv6 ввел более гибкую систему типов адресов:
- Unicast: один на один.
- Multicast: один группе.
- Anycast: запрос ближайшему доступному устройству из группы.
- Отдельные диапазоны вроде link-local (для одного сегмента) и unique-local (аналог приватных сетей).
Разница между IPv4 и IPv6
- Адресация и масштаб
IPv4 использует 32-битные адреса — их около 4,3 млрд, и этот запас уже исчерпан. IPv6 опирается на 128 бит, что даёт практически неограниченное количество адресов и снимает саму проблему дефицита. - Формат и обработка пакетов
В IPv4 адреса записываются в десятичном виде с точками, а заголовок пакета имеет переменную длину. В IPv6 адрес шестнадцатеричный, а заголовок всегда фиксированного размера, из-за чего маршрутизаторы обрабатывают трафик быстрее и проще. - Архитектура сети
IPv4 почти всегда требует NAT, поддерживает broadcast и допускает фрагментацию на маршрутизаторах. В IPv6 NAT архитектурно не нужен, широковещание заменено multicast, а фрагментация выполняется только на стороне отправителя.
Важно понимать: IPv6 — это не «IPv4 с большим количеством адресов», а заново спроектированный протокол, рассчитанный на современный масштаб интернета, миллиарды устройств и более простую, предсказуемую работу сети.
Заключение
Если вид бесконечных шестнадцатеричных адресов IPv6 приводит вас в ужас — не переживайте, вы не одни такие. Но важно понимать: появление этого протокола — не извращенный способ заставить пользователей тренировать память, а жесткая необходимость.
Мир давно перерос возможности IPv4, и те «костыли», на которых интернет держится последние десять лет, со временем тоже перестают действовать. Такова цена масштабирования интернета.