IPv4 ist das gegenwärtig verwendete IP-Protokoll im Internet. Es hat einen 32-Bit Adressraum und kann damit ca. 4,295 Milliarden Rechner adressieren. Die IP-Adressen werden dezimal in 4 Blöcken notiert: jeder Block umfasst 8-Bit und damit einen  Wertebereich von 0 bis 255, z. B. 80.237.132.122. 

IP-Adressen und Protokolle
Die IP-Adresse eines Rechners in einem Netzwerk muss eindeutig sein. IPv4 ist ein geroutetes Protokoll und ist anzusiedeln auf der Internetschicht (Schicht 2) des TCP/IP Referenzmodells bzw. der  Vermittlungsschicht (Network, Schicht 3) des ISO-OSI Schichtenmodells. Auf IPv4 setzen weitere Protokolle auf, wie z. B. TCP, UDP oder ICMP. 

IP-Adressraum
IPv4 ist in 5 Klassen unterteilt (A-Netz, B-Netz, C-Netz, D-Netz, E-Netz) die sich hauptsächlich in der  Aufteilung der IPv4 Adressen unterscheiden. Eine IPv4 Adresse wird aufgeteilt in eine Netz-ID und eine Host-ID. Je grösser die Netz-ID, desto mehr Netze können adressiert werden (und desto weniger  Rechner innerhalb eines Netzes). Je grösser die Host-ID, desto mehr Rechner können innerhalb eines Netzes adressiert werden (und desto geringer ist die Anzahl der  konfigurierbaren Netze). Die Aufteilung in Klassen entspricht also den unterschiedlichen Bedürfnissen der Netzteilnehmer. Das Klasse A Netz verfügt über eine Netz-ID von 7 Bit und eine Host-ID von 24 Bit.  Das erste Bit ist eine Null zur Identifikation eines Klasse A Netzes. Die Adressen reichen von 0.0.0.0 bis 127.255.255.255. Die maximale Anzahl adressierbarer Rechner ist 2 ^ 24 - 2.  Zwei Adressen fallen weg, da die erste Adresse für die Identifikation des Netzes selber gebraucht wird und die letzte Adresse für einen Broadcast reserviert ist (damit können alle Netzteilnehmer auf einmal adressiert werden). Das Class A Netz verfügt  über 128 konfigurierbare Netze die ihrerseits jeweils 16.777.214 Rechner ansteuern können. Klasse A Netze sind grossen Organisationen (meist aus den USA) und Ländern vorbehalten. Ein Klasse B Netz hat eine Netz-ID von 14 Bit (Klasse C 21 Bit) und eine  Host ID von 16 Bit (Klasse C 8 Bit). Die Anzahl der Netze bei Klasse B (Adressbereich: 128.0.0.0 - 191.255.255.255) beträgt 16348 (Klasse C (Adressbereich: 192.0.0.0 bis 223.255.255.255) 2.097.152), die Anzahl  der Hosts pro Netz 65.534 (Klasse C 254). Das Klasse D Netz (224.0.0.0/4 bis 239.255.255.255) ist für Multicast-Gruppen reserviert und das Klasse E-Netz für zukünftige Anwendungen. 

Classless-Inter-Domain-Routing
Mit Einführung des Classless Inter-Domain Routing  (CIDR) 1996 ist das Klassenkonzept eigentlich überholt, da CIDR die Anzahl der Routingtabellen drastisch verringert und den 32 Bit Adressraum besser einsetzt. Das CIDR verwendet nur noch eine Netzmaske zur Aufteilung der 32 Bit Adresse in Netz- und  Host-ID (Subnetting und Supernetting entfällt) und führt bei der Notation Suffixe ein: der Suffix gibt die Anzahl der 1 Bit Anteile der Netzmaske an, z. B.: 192.168.2.7/24 entspricht der Notation 192.168.2.7 mit der Netzmaske 255.255.255.0.  In dualer Notation der Netzmaske 11111111.11111111.11111111.00000000 gibt es 3 x 8 = 24 1-Bit-Stellen. Bei IPv4 gibt es Sonderadressen: 10.0.0.0/8 ist ein privates Netzwerk der Klasse A, 14.0.0.0/8 ist ein öffentliches Datennetzwerk,  127.0.0.0/8: Localhost bzw. lokaler Computer, 192.168.0.0/16: privates Netzwerk der Klasse C (z. B. Heimnetzwerk oder internes Firmennetzwerk hinter einem Router für kleinere Firmen) oder 255.255.255.255 ist für Broadcast reserviert. 

Subnetzmasken
Um grössere Netzwerke  besser zu administrieren, den Datendurchsatz zu verbessern oder heterogene Netzwerktopologien besser zu verbinden hat man Subnetzmasken eingeführt: die Host-ID der IPv4 Adresse wird in 2 Teile unterteilt: die Host-ID und die Subnet-ID. 

Supernetting 
Das Gegenteil ist das Supernetting: um eine grössere Anzahl von Hosts in einem Netz zu adressieren wird die Netz-ID verkleinert und die Host-ID vergrössert. 

IPv4 und IPv6 - Koexistenz
IPv4 koexistiert noch lange Zeit mit IPv6 (bis ca. 2025). Da die IPv4 Adressen nicht mehr ausreichen werden, um alle Rechner mit IP-Adressen zu versorgen, wird es zu einer baldigen Umstellung auf IPv6 im Internet kommen  (vgl IPv6 Tag am 8 Juni 2011). Viele Jahre lang werden IPv4 und IPv6 nebeneinander und auch gleichzeitig zur Verfügung stehen, z.B. im Dual-Stack Betrieb bzw. in Form einer hybriden Implementierung.  Die heutige Form von IPv4 ist übrigens nur aus historischen Gründen im 32-Bit Adressraum angesiedelt um den in den 60er und 70er Jahren, während der Entstehungsphase des IPv4 Protokoll knappen Speicherplatz entgegen zu kommen. Laut Vinton Cerf hatte  man schon in den 70ern einen 64- bzw. 128-Bit Adressraum anvisiert, der jedoch aus den besagten Gründen nicht für IPv4 verwirklicht wurde.  Techniken um IPv6 Adressen in einem IPv4 Netzwerk zu transportieren sind Tunneling und IPv4-to-IPv6 Mapping.  Bei der Tunnelung von IPv6 Paketen in IPv4 -Netzwerken wird 6to4 (STF, Six to Four) als Protokoll eingesetzt.  Eine weitere Möglichkeit, um IPV6-Pakete zuTunneln, ist das Kommunikationsprotokoll Teredo. 

Bedarf an IP-Adressen und Koexistenz mit IPv6 
IPv4 ist das gegenwärtig am meisten genutzte Internet-Protokoll und umfasst einen Adressraum von 32-Bit. Es bildet das Rückgrat des Internet, wird jedoch bis ca. 2025 sukzessive von IPv6 abgelöst. Problematisch ist der auf 32-Bit begrenzte Adressraum,  welcher eine maximale Anzahl von 4,295 Milliarden Hosts adressieren kann. Mit dem Wirtschaftsboom in Asien und dem Bedarf an IP-Adressen für Mobile Endgeräte, für Haushaltsgeräte (Kühlschrank), Sensor-Netzwerke für Brücken, Häuser usw. oder  RFID-Chips steigt der Bedarf an IP-Adressen rapide an.  Die USA wiederum als grösste Wirtschafts- und Internetmacht verfügen aus historischen Gründen noch eine Zeit lang über genügend IP-Adressen, so dass von dieser Seite keine Forcierung zur  Umstellung auf IPv6 zu erwarten ist. IPv6 ist auch mit Kosten verbunden, da neue Router/Bridges/Switches benötigt werden. Diese Problem wird wahrscheinlich in der Übergangszeit durch den Einsatz von Routern gelöst, die beide Protokolle beherrschen  (dual stack), oder durch "Tunnelung" von IPv6 Datagrammen: sie werden einfach an einen IPv4 Header angehängt oder der Header enthält beide Versionsnummern. 

IPv4-Header
Ein IPv4 Datagramm (Datenpaket) ist aufgeteilt in einen Header und den Nutzteil (eigentliche Daten).  Der Kopfbereich (Header) von IPv4-Paketen ist in RFC 791 definiert. Er ist 32 Bit lang und enthält Angaben zur Version (IPv4 oder IPv6), zur IP Header Length (IHL), Type of Service (ToS: Priorität, Quality of Service), Länge des gesamten Paketes  (Total Length: 16 Bit breit → maximal 65535 Bytes oder 64 Kibibyte), Fragment Offset: dient der Verwaltung fragmentierter Pakete, Lebensdauer eines Paketes (Time-to-Live, TTL): soll die Lebensdauer begrenzen, damit ein Paket bei Fehlleitungen  nicht ewig im Netz umherirrt und Ressourcen bindet, heute oftmals als Hop-Count realisiert, sowie Angaben zur Quell- und Zieladresse, einer Prüfsumme und Zusatzinformationen, welche Vorgaben für das Routing geben: Strict Routing:  ein kompletter Routing Pfad ist vorgegeben, Free Routing: gibt eine Liste von Routern an, über die das Paket gehen soll, ein Zeitstempel u.a. 

Routing Protokolle unter IPv4
Routing Protokolle die unter IPv4 verwendet werden sind u.a.: Border Gateway Protocol (BGP): BGP ist ein  Exterior Gateway Protokoll um Erreichbarkeitsinformationen zwischen Autonomen Systemen (AS) auszutauschen, d. h. es liefert Informationen darüber, welche Netze erreichbar sind. Diese Informationen werden von den Routern der ASe  verwendet, um interne Routing Daten für das Open Shortest Path First (OSPF) Verfahren oder das Routing Information Protocol (RIP) zu erstellen. Ein Autonomes System ist eine Anzahl von IP-Netzen die einheitlich administriert werden und  durch ein oder mehrere Interior Gateway Protocols (IGP) verbunden sind. Ein IGP ist ein Routing-Protokoll für ASe: sie können mit komplexen Netzwerktopologien umgehen. Beispiele sind: OSPF, RIP, IS-IS (Intermediate System to  Intermediate System Protocol) oder IGRP (Interior Gateway Routing Protocol). ASe können sich aus mehreren Teilnetzen zusammensetzen und werden meistens von ISPs (Internet Service Provider), Firmen oder Organisationen betrieben.  Eine Weiterentwicklung von IGRP ist EIGRP (Enhanced Interior Gateway Routing Protocol), das 1994 von Cisco vorgestellt wurde. OSPF und IS-IS arbeiten mit dem Routing-Algorithmus Link-State-Routing-Protokoll (LS). Damit bauen Router komplexe  Datenbanken mit Informationen über Netzwerktopologien auf. Link State arbeitet mit dem Shortest Path First (SPF) Algorithmus von Edsger Dijkstra. Im Unterschied zu den Distanzvektorprotokollen (RIP, IGPR) liegen bei  LS Informationen über die gesamte Netzwerktopologie vor. LS tauscht nur Änderungen der Routingtabellen aus: dies erfolgt über Link-State-Announcement/Advertisements (LSA) per Multicast unter benachbarten Routern.