IPv4和IPv6有什么区别

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一、缘起

某一天，在公司技术群内运维大佬们发了这么一条消息。

这条消息瞬间勾起了我的好奇心。什么是IPv6？为什么要切IPv6？于是在上班时多去了几次去卫生间之后，对IPv6有了一些初步认识，然后就诞生了本文。

本文主要对什么是IPv6？为什么要切IPv6？两个问题做一个简要阐述。至于怎么切IPv6？就不在运维大佬面前弄斧了（我是真的没看懂-.-）。

先用一张图表示国内对IPv6的态度吧（求关注、点赞、回复三连~.~）。

二、IP协议

1. 什么是IP

IP是Internet Protocol（网际互连协议）的缩写，是TCP/IP体系中的网络层协议。

2. IP协议版本

目前公布的IP版本很多，远不止IPv4和IPv6两个版本。下表是互联网号码分配机构 IANA(Internet Assigned Numbers Authority)列出的官方版本号。

通过以上表格可以看出，IP协议实际是从0开始的，目前可见的最大版本号是15。以后会有更大的版本号吗？以目前来看是不会有的。原因是IP协议中，标识协议版本号的是一个长度为4的二进制字段。可表示区间为0000B ~ 1111B，即十进制的0 ~ 15。因此，若需支持15以上的版本号，需要对整个IP协议进行重新设计，不单是加个版本号而已。所以目前来看，IP协议版本号不会超过15。

大家最为熟悉的应该是IPv4，也是IP协议中应用最为广泛的版本。其他版本我在此也进行下简单介绍。

  • IPv0 ~ 2 实验室版本，此时TCP和IP还没有完全分开。
  • IPv3 第一个真正意义的IP协议版本，但是存在稳定性问题
  • IPv4 IPv3基础上增加了稳定性，目前应用最为广泛的版本
  • IPv5 和IPv4使用相同的寻址系统，目的是支持流媒体视频和其他新媒体。但最终受限于IPv4的地址受限问题被废弃
  • IPv6 解决了IPv4的核心问题，地址数量受限。目前国内大力推广的版本，转转也积极响应，支持了这个版本
  • IPv7 ~ 9 和IPv6同期产物，因IPv6的成功而被暂停或废弃
  • IPv10 基于IPv4和IPv6 目的是解决IPv4和IPv6地址转换互通问题，目前还在草案中。未真正分配。
  • IPv11 ~ 14 未分配
  • IPv15 保留

3. IPv4

3.1 地址格式

我们常见的是地址格式是点分十进制，顾名思义，就是用小数点分割开的十进制表示法。如：192.168.0.11 。

可惜的是计算机并不认识十进制，只认识0和1，对应关和开两种状态。真正的IP地址表示由4段（32比特）组成，每段8比特，段与段用点（.）隔开。每位有0和1两种状态值，总计4,294,967,296 （ 232），约42.9亿个地址。如192.168.0.11 对应的真正的IP地址为：11000000.10101000.00000000.00001011。是不是看到这个想说，这是啥？比起来是不是十进制更好接受。

3.2 地址组成

IP地址是由两部分组成的，网络部分和主机部分，比如：

其中网络部分一样的属于同一个网段，主机部分共包含0000B ~ 1111B 共256个可用主机号。 主机部分全0表示网段自身，主机部分全为1表示网段内所有设备。即广播地址。主机部分为其他值时，表示不同的设备。所以一个网段下最多可包含 0001B ~ 1110B 共254个设备。

3.3 地址分类

由于早期设备性能问题，为了提高地址转发效率，于是对所有IP进行了分类，共五大类。分别为

  • A类：前8位为网络地址，后24位为主机地址，网络位第一位必须是0，因此该类IP地址中网络ID的长度为8位，主机ID的长度为24位，该类IP地址范围为1.0.0.0 ~ 126.255.255.255，其子网掩码为255.0.0.0。（全部是0的（0.0.0.0）是指所有网络所以排除，127.0.0.0~127.255.255是环回地址）
  • B类：前16位为网络地址，后16位为主机地址。网络位的前2为必须是10，因为该类IP地址中网络ID的长度为16位，主机ID的长度为16位，该类IP地址范围为128.0.0.0~191.255.255.255，其子网掩码为255.255.0.0.
  • C类：前24位为网络地址，后8位主机地址。网络位的前3位必须是110，因此该类IP地址中网络ID的长度为24位，主机长度为8位。该类IP地址范围为192.0.0.0~223.255.255.255 、其子网掩码为255.255.255.0.
  • D类：该类IP地址的前四位必须为1110，它是一个专门保留的地址，并不指向特定的网络。目前这类IP地址被用在组播中，其地址范围为224.0.0.0~239.255.255.255
  • E类：该类IP地址以11110开始，为保留地址。其地址范围为240.0.0.0~255.255.255.254
  • 此外，还有全0和全1的IP地址，其中全部是0的（0.0.0.0）是指所有网络，全1的IP地址（255.255.255.255）是所有网络的广播地址

4. IPv6

4.1 地址格式

一个符合规范的IPv6地址格式是这样的：2001:0DB8:0000:0000:0000:8A2E:200C:417A

这是什么？别着急，听我娓娓道来。

每个IPv6地址是由8段（128比特）组成，每段16比特，段与段用冒号（:）隔开。每位有0和1两种状态值。总计340,282,366,920,938,463,374,607,432,768,211,456（ 2128），约为。。。地球所有沙子的数量（理解为近似无限地址）

所以上述的IP地址的真正格式为0010000000000001:110110111000:0000000000000000:0000000000000000:0000000000000000:1000101000101110:0010000000001100:0100000101111010

这肯定看不懂对吧。如果使用对待IPv4地址相同的手段处理IPv6地址呢。也就是使用十进制表示该地址位：8193:3512:0:0:0:35374:8204:16762。

差不多可以看懂了，但是对网络传输来说这个的太占空间了，也就降低了传输效率。而且有了域名解析后，相对IP地址，大家更愿意接受域名。

为了提高传输效率，减少空间占用。于是IPv6地址使用十六进制表示。将上述二进制或十进制表示转为十六进制则为：2001:0DB8:0000:0000:0000:8A2E:200C:417A

至此，是不是对IPv6地址格式有了一些了解。为了压缩空间，在此基础上还有一些其他规则。

  • 前置0可省略：IP地址中每一段数值的前置0可省略。上述地址应用规则后可表示为：

    2001:DB8:0:0:0:8A2E:200C:417A

  • 连续零可用::表示：IP地址中连续的0可使用::表示，一个IP地址仅可省略一次，即出现一次::。上述地址应用规则后可表示为：

    2001:DB8::8A2E:200C:417A

    仅可出现一次的原因为：多个::会存在地址冲突。如下两个IP地址

    2001:0:0:0:25DE:0:0:CADE

    2001:0:0:25DE:0:0:0:CADE

    应用规则后均为：2001::25DE::CADE，导致地址冲突了。因此一个IP地址中仅可出现一次::

4.2 地址组成

IPv6地址分为高64比特和低64比特。

高64比特有分配机构进行分配，分配机构也只关心高64比特。

低64比特全部为主机地址。可自行分配。

4.3 地址分类

单播地址：在单播寻址模式下，IPv6接口(host)在网段中唯一标识。 IPv6数据包包含源IP地址和目标IP地址。 主机接口配备有在该网络段中唯一的IP地址。当网络交换机或路由器接收到注定到单个主机的单播IP分组时，它发出其连接到该特定主机的输出接口之一 。

多播(组播)地址：IPv6组播模式与IPv4相同。 目的地为多个主机的数据包在特殊的多播地址上发送。 所有对该组播信息感兴趣的主机需要首先加入该组播组。 加入组的所有接口接收组播数据包并对其进行处理，而对组播数据不感兴趣的其他主机则忽略组播信息。

任播地址：IPv6引入了一种新型的寻址，称为Anycast寻址。 在此寻址模式下，多个接口(host)被分配相同的任播IP地址。 当主机希望与配备有任播IP地址的主机通信时，它发送单播消息即可。 在复杂的路由机制的帮助下，该单播消息被递送到最接近接收方的主机。

三、为什么要切IPv6

作为FE的我分析比较IPv4和IPv6实在有些困难，在此引用百度百科的对比描述。

  1. IPv6具有更大的地址空间。IPv4中规定IP地址长度为32，最大地址个数为232；而IPv6中IP地址的长度为2128，即最大地址个数为2128。与32位地址空间相比，其地址空间增加了2128-232个。
  2. IPv6使用更小的路由表。IPv6的地址分配一开始就遵循聚类（Aggregation）的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录（Entry）表示一片子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发数据包的速度。
  3. IPv6增加了增强的组播（Multicast）支持以及对流的控制（Flow Control），这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会，为服务质量（QoS，Quality of Service）控制提供了良好的网络平台。
  4. IPv6加入了对自动配置（Auto Configuration）的支持。这是对DHCP协议的改进和扩展，使得网络（尤其是局域网）的管理更加方便和快捷。
  5. IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，在IPV6中的加密与鉴别选项提供了分组的保密性与完整性。极大的增强了网络的安全性。
  6. 允许扩充。如果新的技术或应用需要时，IPV6允许协议进行扩充。
  7. 更好的头部格式。IPV6使用新的头部格式，其选项与基本头部分开，如果需要，可将选项插入到基本头部与上层数据之间。这就简化和加速了路由选择过程，因为大多数的选项不需要由路由选择。
  8. 新的选项。IPV6有一些新的选项来实现附加的功能

参考资料

  1. iana（www.iana.org/assignments…
  2. Where are IPv1, 2, 3 and 5（forum.huawei.com/enterprise/…
  3. IP（baike.baidu.com/item/IP/224…
  4. IPv6（baike.baidu.com/item/IPv6/1…
  5. IPv6，到底是什么（zhuanlan.zhihu.com/p/36542469）
  6. IPv4地址格式和分类（zhuanlan.zhihu.com/p/411205065…
  7. IPv6笔记-地址结构与分类（blog.csdn.net/wangcg123/a…

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