IPv4 sử dụng 32 bits để đánh địa chỉ, theo đó, số địa chỉ tối đa có thể sử dụng là 4.294.967.296 (232). Tuy nhiên, do một số được sử dụng cho các mục đích khác như: cấp cho mạng cá nhân (xấp xỉ 18 triệu địa chỉ), hoặc sử dụng làm địa chỉ quảng bá (xấp xỉ 16 triệu), nên số lượng địa chỉ thực tế có thể sử dụng cho mạng Internet công cộng bị giảm xuống. Với sự phát triển không ngừng của mạng Internet, nguy cơ thiếu hụt địa chỉ đã được dự báo, tuy nhiên, nhờ công nghệ NAT (Network Address Translation - Chuyển dịch địa chỉ mạng) tạo nên hai vùng mạng riêng biệt: Mạng riêng và Mạng công cộng, địa chỉ mạng sử dụng ở mạng riêng có thể dùng lại ở mạng công công mà không hề bị xung đột, qua đó trì hoãn được vấn đề thiếu hụt địa chỉ

Chuẩn IPv6, với số lượng bits dùng để đánh địa chỉ nhiều hơn đã được xây dựng nhằm thay thế IPv4 trong tương lai. Hiện tại, công nghệ IPv6 đã được triển khai ở một số quốc gia.

Cách biểu diễn địa chỉ

32 bits địa chỉ của IP được chia thành 4 nhóm (dạng phân nhóm - dotted format), mỗi nhóm gồm 8 bits (gọi là một octet), các nhóm này phân cách nhau bởi dấu chấm. Tuy nhiên, để thuận tiện cho người sử dụng, các octet này được chuyển đổi sang giá trị thập phân, được miêu tả trong bảng sau:

Hầu hết các định dạng trên được chấp nhận trong tất cả các trình duyệt. Ngoài ra, trong dạng phân nhóm, mỗi nhóm có thể được biểu diễn dưới một hệ cơ số khác nhau, (ví dụ như: 192.0x00.0002.235) nhưng không làm thay đổi giá trị thực của địa chỉ.Một dạng cuối cùng, hiếm gặp, đó là biểu diễn dưới dạng mã ASCII. Dạng biểu diễn này được sử dụng để gán cho trường địa chỉ nguồn và địa chỉ đích trong các chương trình phần mềm.

Phân lớp địa chỉ

Ban đầu, một địa chỉ IP được chia thành hai phần:

• Network ID: Xác lập bởi octet đầu tiên
• Host ID: Xác định bởi ba octet còn lại

Với cách chia này, số lượng network bị giới hạn ở con số 256, quá ít so với nhu cầu thực tế.

Để vượt qua giới hạn này, việc phân lớp mạng đã được định nghĩa, tạo nên một tập hợp lớp mạng đầy đủ (classful). Theo đó, có 5 lớp mạng (A, B, C, D và E) được định nghĩa. Lớp A sử dụng 8 bits cho phần network, do đó có tới 24 bits được sử dụng cho phần host. Lớp B dùng 16 bits cho network, 16 bit dành cho host. 24 bits được sử dụng để xác định phần network cho lớp C, do đó, mỗi network của lớp C chỉ còn 8 bit để đánh địa chỉ host. Lớp D được dùng cho địa chỉ multicast còn lớp E sử dụng cho thí nghiệm.

Khoảng năm 1993, lược đồ lớp đã được thay thế bởi lược đồ CIDR (Classless Inter-Domain Routing - Định hướng lớp miền chung). Với lược đồ CIDR, các lớp A, B, C có thể được chia lại thành các mạng nhỏ hơn (hoặc lớn hơn) để phân phối cho các tổ chức, cá nhân hoặc các mạng cục bộ khác nhau.

Việc gán địa chỉ tuân theo nguyên tắc: Địa chỉ của thiết bị phản ánh vị trí và vai trò của chính thiết bị đó trong mạng. Điều đó có nghĩa rằng, trong một hệ thống mạng, không được phép xuất hiện hai thiết bị có cùng địa chỉ. Một cấu trúc thứ bậc được tạo ra bởi CIDR, được IANA (Internet Assigned Numbers Authority - Bộ phận quản lý việc cấp phát địa chỉ internet) cùng các điểm đăng ký internet trực thuộc (Regional Internet Registries - RIRs) giám sát, có nhiệm vụ quản lý việc cấp phát địa chỉ Internet trên toàn thế giới. Mỗi RIR duy trì một cơ sở dữ liệu cho phép tìm kiếm công tự do WHOIS, cho phép mọi người có thể dễ dàng xác định được vị trí địa lý của một địa chỉ internet công cộng.

Mạng riêng

Trong khoảng hơn bốn tỷ địa chỉ có thể sử dụng của IPv4, ba dải địa chỉ được dành riêng cho các mạng riêng (private network). Các dải này không xuất hiện trong bảng định tuyến ở bên ngoài mạng riêng. Các thiết bị trong mạng riêng cũng không thể trực tiếp liên lạc với các mạng công cộng. Để có thể liên lạc với internet công cộng, họ phải sử dụng công nghệ NAT.

Sau đây là ba dải địa chỉ dành riêng cho các mạng riêng:

Đánh địa chỉ liên kết cục bộ

RFC 3330 định nghĩa một dải địa chỉ thuộc lớp B 169.254.0.0/16 dành riêng cho việc đánh địa chỉ mạng cục bộ. Những địa chỉ thuộc dải này chỉ có giá trị khi được gán cho thiết bị có các kết nối thuộc phân đoạn mạng cục bộ hoặc các kết nối điểm - tới - điểm (point to point, p2p). Những địa chỉ này cũng không được lưu trong bảng định tuyến tương tự như địa chỉ dành cho mạng riêng, có nghĩa là, chúng không thể trở thành địa chỉ nguồn hay đích đến của các gói tin được truyền trong mạng internet. địa chỉ liên kết cục bộ (Link-local addresses) chủ yếu được sử dụng để tự động cấu hình địa chỉ, (Zeroconf) trong trường hợp thiết bị không được cấp phát địa chỉ từ máy chủ DHCP hoặc từ các phương pháp cấp phát địa chỉ nội bộ khác.

Khi dải địa chỉ được dự trữ, không tồn tại tiêu chuẩn cho cơ chế tự cấu hình địa chỉ, để lấp chỗ trống, Microsoft đưa ra bổ sung có tên Tự động cấp phát địa chỉ IP dành riêng (Automatic Private IP Addressing - APIPA). Dựa vào thị phần của Microsoft, APIPA đã được triển khai trên hàng triệu máy tính, qua đó trở thành một chuẩn trong lĩnh vực CNTT (de facto). Nhiều năm sau, IETF định nghĩa một chuẩn chính thức, RFC 3927, cho chức năng này. Ý nghĩa của chuẩn này là: Tự động cấu hình địa chỉ liên kết cục bộ cho chuẩn IPv4 (Dynamic Configuration of IPv4 Link-Local Addresses).

Localhost

Dải địa chỉ 127.0.0.0/8 (CIDR notation) được quy định dành riêng cho thiết bị thực hiện các giao tiếp bên trong chính nó.

Dải địa chỉ này không bao giờ xuất hiện bên ngoài một thiết bị. Mọi gói tin có đích đến thuộc dải địa chỉ này sẽ được gửi trả về như là một gói tin đến từ một mạng ảo, mạng này có tên gọi là mạng loopback

Địa chỉ Broadcast và địa chỉ Default route

Đôi khi bạn có thể gán địa chỉ dạng x.x.x.0 hay x.x.x.255 cho host, tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, địa chỉ dạng trên không được chấp nhận khi gán cho host. Tình huống này thường gặp khi địa chỉ được dùng nằm trong dải có subnet mask từ 24 bits trở lên. Ví dụ 192.168.100.0/24 (192.168.100.0 255.255.255.0) hay 192.168.10.255/25 (192.168.10.255 255.255.255.128). Những địa chỉ dạng này không thể gán cho host, bởi nó là địa chỉ Default route và địa chỉ Broadcast!

Địa chỉ Broadcast là địa chỉ được sử dụng làm đích đến của một gói tin khi một host muốn gửi gói tin đó đến tất cả các host còn lại trong mạng LAN. Trong mỗi subnet - LAN (mạng con), địa chỉ cuối cùng trong dải địa chỉ của mạng này chính là địa chỉ Broadcast. Không thể gán địa chỉ Broadcast cho một host cụ thể nào trong mạng.Địa chỉ Default route là địa chỉ định danh cho một mạng con (LAN, subnet). Nó là địa chỉ đầu tiên trong dải địa chỉ của subnet. Tương tự như địa chỉ broadcast, địa chỉ default route cũng không thể gán cho một host cụ thể.

Một số ví dụ về default route và broadcast:

Dải địa chỉ 140.10.0.0/23 đến 140.10.1.255/23 có địa chỉ broadcast là 140.10.1.255 và địa chỉ default route là 140.10.0.0

Dải địa chỉ: 192.168.1.0/24 đến 192.168.1.255/24 có địa chỉ broadcast là 192.168.1.255 và địa chỉ default route là 192.168.1.0

Dải địa chỉ: 192.168.20.128/26 đến 192.168.20.191/26 có địa chỉ broadcast là 192.168.20.191 và địa chỉ default route là 192.168.20.128

Giải pháp tên miền

Các thiết bị trong mạng giao tiếp với nhau thông qua địa chỉ IP. Tuy nhiên, việc ghi nhớ danh sách các chuỗi địa chỉ đối với người sử dụng internet là vô cùng khó khăn, gần như là không thể. Trong khi đó, việc ghi nhớ các cụm ký tự có tính "gợi nhớ" dễ dàng hơn nhiều.

Để giải quyết vấn đề này, hệ thống tên miền (DNS: Domain Name System) ra đời. Có thể xem DNS như một dạng từ điển gồm hai cột, một cột là địa chỉ IP, cột còn lại là tên miền. Khi người dùng gõ một tên miền vào trình duyệt, tên miền này sẽ được gửi đến một máy chủ DNS để "dịch" tên miền này sang địa chỉ IP, là địa chỉ được sử dụng để các thiết bị mạng giao tiếp với nhau.