IPv4 là gì? Phân loại, Cấu trúc & So sánh IPv4 vs IPv6

IPv4 là gì? Đây là câu hỏi mà bất cứ ai làm việc hay chỉ đơn giản là muốn tìm hiểu về mạng máy tính đều cần biết, người dùng thông thường hay thậm chí là các bạn sinh viên CNTT mới bắt đầu, những khái niệm này có thể khô khan và phức tạp. Bài viết này, Fastbyte sẽ giúp bạn giải mã IPv4 là gì một cách đơn giản nhất từ cách hoạt động, vai trò, lợi ích và so sánh địa chỉ IPv4 vs IPv6. Đọc ngay!

IPv4 là gì?

Giao thức IPv4 (Internet Protocol version 4) là một giao thức định tuyến cơ bản, đóng vai trò quan trọng nhất trong việc truyền tải dữ liệu trên Internet. Ý tưởng xuất phát từ cuối những năm 1970; phiên bản IPv4 được chuẩn hóa trong RFC 791 (1981), IPv4 đã trở thành xương sống của mạng lưới toàn cầu trong nhiều thập kỷ.

Về bản chất, IPv4 là một chuỗi 32-bit nhị phân, được biểu diễn dưới dạng bốn con số thập phân, mỗi số cách nhau bởi dấu chấm (ví dụ: 192.168.1.1). Chuỗi này có nhiệm vụ định danh duy nhất cho từng thiết bị kết nối mạng, từ đó giúp các gói dữ liệu được gửi đến đúng nơi cần đến.

Tầm quan trọng của IPv4 nằm ở chỗ, nếu không có giao thức này, các gói tin dữ liệu sẽ không thể biết được “điểm đến” của mình là ở đâu. IPv4 chính là “người dẫn đường” thầm lặng, đảm bảo mọi hoạt động trực tuyến của chúng ta từ lướt web, gửi email cho đến xem phim đều diễn ra thông suốt.

Nguyên lý hoạt động của giao thức IPv4

Giao thức IPv4 hoạt động dựa trên nguyên tắc định tuyến không kết nối (connectionless routing). Điều này có nghĩa là mỗi gói dữ liệu (packet) được gửi đi độc lập với nhau, không cần thiết lập một “đường ống” cố định từ trước. Khi một thiết bị gửi dữ liệu, nó sẽ phân chia thông tin thành nhiều gói tin nhỏ, mỗi gói tin đều chứa địa chỉ IPv4 của người nhận.

Các bộ định tuyến (router) trên đường đi sẽ đọc địa chỉ này và chuyển tiếp gói tin đến bộ định tuyến tiếp theo gần điểm đích hơn. Quá trình này lặp lại cho đến khi gói tin đến được đích cuối cùng. Tại đó, tất cả các gói tin sẽ được tập hợp lại và sắp xếp theo đúng thứ tự ban đầu để tạo thành dữ liệu hoàn chỉnh.

Ví dụ, khi bạn truy cập website của Fastbyte, máy tính của bạn sẽ gửi một yêu cầu dưới dạng gói tin có chứa địa chỉ IPv4 của máy chủ lưu trữ website Fastbyte. Các router trên đường đi sẽ dựa vào địa chỉ này để chuyển tiếp gói tin, giúp yêu cầu của bạn đến được máy chủ. Máy chủ sau đó sẽ gửi lại dữ liệu trang web cũng bằng cách tương tự.

Cấu trúc của giao thức mạng IPv4

Một gói tin IPv4 bao gồm hai phần chính: Header (phần tiêu đề) và Data (phần dữ liệu). Phần Header chứa các thông tin quan trọng để định tuyến gói tin, còn phần Data là nội dung thực sự của gói tin.

Cấu trúc header của gói tin IPv4 bao gồm nhiều trường (field), mỗi trường có một chức năng cụ thể:

• Version: Phiên bản của giao thức IP, ở đây là 4.
• IHL (Internet Header Length): Chiều dài của phần header.
• Total Length: Tổng chiều dài của toàn bộ gói tin (header + data).
• Time to Live (TTL): Giới hạn số “bước nhảy” (hop) mà gói tin có thể đi qua. Khi TTL về 0, gói tin sẽ bị hủy để tránh tình trạng gói tin đi vòng lặp vô hạn trong mạng.
• Protocol: Xác định giao thức tầng trên mà dữ liệu đang được mang theo (ví dụ: TCP, UDP).
• Source IP: Địa chỉ IPv4 của thiết bị gửi.
• Destination IP: Địa chỉ IPv4 của thiết bị nhận.

Việc hiểu rõ cấu trúc này giúp các nhà quản trị mạng xử lý các vấn đề liên quan đến định tuyến, bảo mật và hiệu suất mạng.

Vai trò chính của IPv4 là gì?

Giao thức IPv4 đảm nhiệm nhiều vai trò then chốt trong hoạt động của mạng Internet:

• Định danh thiết bị: Mỗi địa chỉ IPv4 là duy nhất, giúp phân biệt hàng tỷ thiết bị trên mạng toàn cầu. Điều này giống như việc mỗi ngôi nhà đều có một địa chỉ riêng để nhận thư.
• Định tuyến gói tin: Đây là chức năng quan trọng nhất. IPv4 giúp các bộ định tuyến xác định đường đi tốt nhất để chuyển gói tin từ nguồn đến đích.
• Phân mảnh và lắp ráp gói tin: Khi một gói tin có kích thước quá lớn để đi qua một liên kết mạng cụ thể, IPv4 sẽ chia nhỏ gói tin đó (phân mảnh). Khi đến đích, các mảnh này sẽ được tập hợp lại để tạo thành gói tin ban đầu.
• Kết nối và truyền tải dữ liệu: IPv4 hoạt động ở tầng mạng, cung cấp nền tảng để các giao thức tầng trên (như TCP hay UDP) có thể truyền tải dữ liệu một cách đáng tin cậy.

IPv4 là yếu tố không thể thiếu để tạo ra một mạng lưới kết nối các thiết bị lại với nhau, cho phép chúng giao tiếp và trao đổi thông tin trên quy mô toàn cầu.

Phân loại các lớp IPv4 phổ biến

Địa chỉ IPv4 được phân thành 5 lớp chính (Class A, B, C, D, E) để quản lý hiệu quả việc cấp phát địa chỉ. Trong đó, 3 lớp đầu tiên (A, B, C) là phổ biến nhất.

• Class A: Dành cho các mạng lưới rất lớn với hàng triệu thiết bị. Phạm vi địa chỉ từ 1.0.0.0 đến 126.255.255.255.
• Class B: Dành cho các mạng cỡ trung bình đến lớn, như mạng của các tập đoàn, trường đại học. Phạm vi từ 128.0.0.0 đến 191.255.255.255.
• Class C: Phù hợp với các mạng nhỏ, ví dụ mạng văn phòng hay mạng gia đình. Phạm vi từ 192.0.0.0 đến 223.255.255.255.
• Class D: Dành cho mục đích đa tuyến (multicast), không sử dụng cho các thiết bị thông thường.
• Class E: Dành cho mục đích nghiên cứu và thử nghiệm, không sử dụng công cộng.

Fastbyte khuyến cáo các doanh nghiệp nên nắm rõ các lớp địa chỉ này để có chiến lược phân bổ và quản lý mạng hiệu quả.

So sánh địa chỉ IPv4 với IPv6

IPv4 và IPv6 là hai phiên bản của Giao thức Internet. Tuy nhiên, chúng có những khác biệt cơ bản về cấu trúc và khả năng.

Dưới đây là bảng so sánh chi tiết giữa 2 giao thức mạng IPv4 với IPv6:

Sự khác biệt lớn nhất là số lượng địa chỉ. Với 4.3 tỷ địa chỉ, IPv4 đã cạn kiệt, trong khi IPv6 cung cấp một số lượng địa chỉ gần như không giới hạn, đảm bảo khả năng mở rộng của Internet trong tương lai.

Một số ưu – nhược điểm của IPv4

Ưu điểm:

• Độ phổ biến: IPv4 đã tồn tại hơn 40 năm, hầu hết các thiết bị và hệ thống mạng đều tương thích với giao thức này.
• Dễ triển khai: Cấu hình IPv4 đơn giản, thân thiện với cả những người dùng không chuyên.
• Hỗ trợ rộng rãi: Các công cụ, phần mềm, thiết bị mạng đã được tối ưu hóa cho IPv4 trong nhiều năm.

Nhược điểm:

• Hạn chế địa chỉ: Đây là nhược điểm lớn nhất. Việc cạn kiệt địa chỉ IPv4 đã khiến các nhà cung cấp phải sử dụng các giải pháp phức tạp như NAT.
• Bảo mật thấp: IPv4 không có cơ chế bảo mật tích hợp sẵn. Các lớp bảo mật như IPsec phải được thêm vào sau này.
• Cũ kỹ: So với IPv6, IPv4 không hỗ trợ một số tính năng tiên tiến như chất lượng dịch vụ (QoS) hay tự động cấu hình.

Các trường hợp sử dụng IPv4

Mặc dù có những hạn chế, IPv4 vẫn là nền tảng của nhiều ứng dụng và hệ thống mạng hiện nay. Dưới đây là các trường hợp sử dụng phổ biến, minh chứng cho tầm quan trọng của IPv4 trong thế giới Internet:

Truy cập Internet

Mỗi khi bạn truy cập một trang web, gửi email hoặc xem video trực tuyến, thiết bị của bạn (máy tính, điện thoại, máy tính bảng) đều cần một địa chỉ IPv4 công cộng để kết nối với các máy chủ trên Internet.

Địa chỉ này cho phép các gói tin dữ liệu biết chính xác nơi cần đến và nơi cần quay về, đây là ứng dụng cơ bản và phổ biến nhất, là nền tảng cho mọi hoạt động trực tuyến hằng ngày của chúng ta.

Mạng nội bộ (LAN)

Trong các mạng gia đình, văn phòng hoặc trường học, IPv4 được sử dụng để các thiết bị trong cùng một mạng có thể giao tiếp với nhau. Các địa chỉ IP riêng (ví dụ: 192.168.1.x) giúp máy tính, máy in, TV thông minh, và các thiết bị khác dễ dàng nhận diện và trao đổi dữ liệu.

Giao thức NAT (Network Address Translation) giúp các địa chỉ IP riêng này kết nối với Internet thông qua một địa chỉ IP công cộng duy nhất.

Hệ thống máy chủ

Các máy chủ web (Web Server), máy chủ email (Mail Server), hay máy chủ cơ sở dữ liệu (Database Server) đều được gán một địa chỉ IPv4 công cộng để người dùng có thể truy cập từ khắp nơi trên thế giới. Địa chỉ này hoạt động như một “địa chỉ nhà cố định” giúp người dùng tìm thấy và kết nối đến các dịch vụ trực tuyến.

Các trang web nổi tiếng như Google, Facebook đều có một hoặc nhiều địa chỉ IPv4 để phục vụ hàng tỷ lượt truy cập mỗi ngày.

Các thiết bị IoT và di động

Nhiều thiết bị IoT (Internet of Things) như camera an ninh, thiết bị nhà thông minh, hoặc các cảm biến cũ vẫn được thiết kế để hoạt động chủ yếu trên nền tảng IPv4. Mặc dù IPv6 đang dần được áp dụng, IPv4 vẫn chiếm ưu thế trong các hệ thống đã triển khai từ trước.

Tương tự, các nhà mạng di động vẫn sử dụng IPv4, đôi khi kết hợp với IPv6, để cung cấp dịch vụ Internet cho điện thoại thông minh.

Tên miền và DNS

Hệ thống DNS (Domain Name System) là cầu nối giữa tên miền dễ nhớ (ví dụ: fastbyte.vn) và địa chỉ IPv4 khó nhớ. Khi bạn gõ một tên miền vào trình duyệt, hệ thống DNS sẽ dịch tên miền đó thành địa chỉ IPv4 tương ứng để trình duyệt có thể kết nối đến đúng máy chủ. Đây là một ứng dụng vô cùng quan trọng, giúp đơn giản hóa việc truy cập các trang web.

Mạng WAN

Các mạng diện rộng (WAN) của doanh nghiệp, tổ chức hoặc các nhà cung cấp dịch vụ vẫn sử dụng IPv4 để kết nối các mạng LAN ở các chi nhánh, văn phòng khác nhau lại với nhau. Giao thức này cho phép dữ liệu được truyền tải xuyên suốt giữa các địa điểm địa lý khác nhau.

Server/Hosting/VPS

Các nhà cung cấp dịch vụ vẫn cấp địa chỉ IPv4 cho khách hàng khi thuê máy chủ vật lý, dịch vụ lưu trữ (hosting) hoặc máy chủ riêng ảo (VPS). Mặc dù IPv6 đang dần được tích hợp, IPv4 vẫn là yêu cầu bắt buộc để đảm bảo khả năng truy cập rộng rãi từ mọi thiết bị và hệ thống trên Internet.

READ  Windows Server là gì? So sánh với Windows thường/ Linux Server

Những trường hợp sử dụng trên cho thấy, dù đã tồn tại lâu đời và có những hạn chế nhất định, IPv4 vẫn là một phần không thể thiếu của hạ tầng Internet hiện tại.

Lưu ý khi sử dụng IPv4

Do số lượng địa chỉ IPv4 có hạn, việc sử dụng cần đi kèm với một số lưu ý:

• Giải pháp NAT: Để giải quyết tình trạng cạn kiệt, các nhà mạng sử dụng Network Address Translation (NAT) để cho phép nhiều thiết bị dùng chung một địa chỉ IP công cộng.
• Khả năng tương thích: Tuy IPv6 đang được triển khai, bạn cần đảm bảo hệ thống của mình vẫn tương thích với IPv4 để không bị gián đoạn kết nối.
• Bảo mật: Luôn sử dụng các công cụ bảo mật như tường lửa (firewall) và VPN, vì bản thân IPv4 không có lớp bảo mật mạnh mẽ.
• Giới hạn địa chỉ: Hiểu rõ rằng việc sử dụng IPv4 công cộng ngày càng trở nên đắt đỏ và khan hiếm.
• Phân loại địa chỉ theo lớp: IPv4 được chia thành các lớp A, B, C để dùng cho các mạng với quy mô khác nhau. Người dùng nên kiểm tra octet đầu tiên của địa chỉ để biết nó thuộc lớp nào, từ đó cấu hình mạng phù hợp.
• Giới hạn không gian địa chỉ: IPv4 có địa chỉ 32 bit, chỉ hỗ trợ khoảng 4,3 tỷ địa chỉ. Do đó, tài nguyên IPv4 gần như cạn kiệt, đặc biệt trong các lớp mạng tầm trung, cần quản lý và sử dụng địa chỉ IP hiệu quả để tránh thiếu hụt.
• Bảo mật hạn chế: IPv4 không có tính năng bảo mật tích hợp như mã hóa dữ liệu. Việc bảo mật thường được thực hiện ở lớp ứng dụng hoặc qua các giải pháp bổ sung như IPSec, nhưng không phải lúc nào cũng được áp dụng đầy đủ.
• Cấu trúc định tuyến phức tạp: IPv4 yêu cầu các router giữ bảng định tuyến lớn, tiêu tốn tài nguyên bộ nhớ và xử lý, cần chú ý khi thiết kế mạng lớn.
• Cấu hình linh hoạt: Có thể sử dụng cấu hình tự động (DHCP) hoặc thủ công tùy theo nhu cầu. Cần cân nhắc cách đặt IP tránh xung đột và đảm bảo IP hợp lệ (tránh dùng địa chỉ mạng hoặc broadcast).

Những lưu ý này giúp người dùng và quản trị viên mạng sử dụng IPv4 hiệu quả, tránh các sự cố mạng và bảo đảm an toàn hơn trong quá trình vận hành mạng.

Cách kiểm tra địa chỉ IPv4 trên máy tính

Việc kiểm tra địa chỉ IPv4 của bạn rất đơn giản. Fastbyte sẽ hướng dẫn bạn các bước chi tiết trên các hệ điều hành phổ biến:

Trên máy tính Windows

Sử dụng Command Prompt:

• Nhấn tổ hợp phím Windows + R, gõ “cmd” rồi Enter để mở Command Prompt.
• Gõ lệnh ipconfig rồi nhấn Enter.
• Tìm dòng “IPv4 Address” trong kết quả hiển thị, đó chính là địa chỉ IPv4 của máy tính.

Qua PowerShell:

• Nhấn Windows + R, gõ “Powershell” rồi nhấn Ctrl + Shift + Enter vào chế độ Admin.
• Gõ lệnh Get-NetIpAddress rồi Enter.
• Tìm dòng có IP trong phần “IPAddress“.

Qua phần Settings:

• Nhấn chuột phải biểu tượng mạng trên thanh taskbar, chọn “Open Network & Internet Settings“.
• Chọn “Change Connection Properties” ở mục Status.
• Xem địa chỉ IPv4 ở dòng “IPv4 Address“.

Qua Task Manager:

• Chuột phải thanh taskbar, chọn “Task Manager“.
• Vào tab “Performance“, chọn Wifi hoặc Ethernet.
• Địa chỉ IPv4 hiển thị tại phần “IPv4 Address“.

Trên máy tính Mac

Sử dụng System Preferences:

• Mở System Preferences từ menu Apple.
• Chọn “Network“.
• Chọn kết nối mạng đang dùng bên trái, địa chỉ IP sẽ hiển thị bên phải.

Qua Terminal:

• Mở Terminal.
• Gõ lệnh ifconfig | grep 'inet ' | grep -v 127.0.0.1 để lấy địa chỉ IP khác 127.0.0.1.

Các cách trên giúp nhanh chóng kiểm tra được địa chỉ IPv4 của máy tính trên cả Windows và MacOS.