IT基础知识：IPv6详解

作为互联网用户，或多或少听过IPv4地址枯竭的消息，而对于定义IPv4的IETF(互联网工程任务组)来说，也没有预料到如今的互联网会出现如此庞大的用户量增长。

IPv4的网络地址资源局限，已经严重制约了互联网的应用和发展。目前常用的NAT(网络地址转换)技术只能缓解公网IP数量不足的燃眉之急，而真正能从根本解决IP地址数量问题和推进互联网发展的技术方案还得依靠IPv6(Internet Protocol Version 6，互联网协议第6版)云主机域名。

随着各国及各大运营商对IPv6的发展推动，IPv6已经渐渐进入用户的生活当中，例如我们在打开某些APP的开启画面中会看到IPv6的标示。

那么为什么越来越多的APP会将IPv6的标示写入启动界面，IPv6仅仅只是让IP地址数量变多吗?

一、IPv6地址数量

在IPv4中规定IP地址长度为32位二进制数，约等于2^32个网络地址。而IPv6具有更大的地址空间，长度为128位二进制数，约等于2^128个网络地址(约3.410^38)，这个数量已经远远大于人们对互联网发展规模的想象。

二、IPv6地址格式

IPv6因为地址长度较大，相对的地址格式也会复杂不少，而且采用的为16进制的表示方式(数字0-9加上字母A-F)，想要记住一个IPv6地址并不容易。

IPv6地址是可以进行缩写表示的，例如冒号分隔的每组数值前面的0可以省略不写，例如：

冒号分隔的一组或者连续几组全0数值，可以用双冒号表示(一个IP地址最多只可出现一次：：缩写)，例如：

三、ipv6的网络标示与主机标示

在IPv4中，大多数用户知道是用子网掩码来划分IP地址的网络号和主机号，从而得知IP地址所属的网段，例如：192.168.1.2 (255.255.255.0)，我们可以通过这个IP的掩码长度来确定这个IP的网络标识为前24位，即192.168.1.0为它的网段，主机标识为后8位。

1. 那么IPv6如何划分网段?

IPv6的地址长度为128位(比特)，默认后64位(比特)为接口ID，即主机标识。主机标识默认是由48位MAC地址加上IEEE分配的ID，依照EUI64转换算法，进行转换得来的，这就可以极大地降低IP地址出现重复的可能。

2. 全局单播地址

全局单播地址是最常用的IPv6地址类型，即全球唯一的IP地址，等同于IPv4的公网IP地址。

除了大多数全局单播地址，以下还有几个特殊地址类型需要进行区分：

四、IPv6的优点

1. 更庞大的网络地址数量

2. 更小的路由表

因为IPv6在地址分配时遵循聚类原则，相同区域默认分配相同前缀IP地址。当路由在查找和传递过程中，可以更高效地选择最优路由进行传递，大大节省传递时的开销。

3. IPv6的分段处理

在IPv4的网络中，数据包在传输过程中，路由器会根据其设置的MTU值(最大传输单元，默认为1500字节)来对数据包进行分片传输。

而在IPv6的网络中，主机在发出数据包时，就已经对数据包进行分片处理(默认最小MTU为1280字节)，这样在数据传输的过程中就不需要路由器来担任分片工作，大大提高了数据传输的效率。

4. 即插即用

在IPv4的网络中，如果用户不想手动配置IP地址，就得依赖DHCP服务来进行地址自动分配。在IPv6中同样可以通过DHCPv6进行有状态地址分配，但是也可以不依赖DHCPv6来进行无状态地址分配(SLAAC)。

IPv6可以通过NDP进行路由请求和通告，获取IPv6地址的网络前缀，而 IPv6地址的后64位是由网卡的物理地址(MAC)加上转换算法得来，本身就是全球唯一的地址，所以也就很难遇到IP地址冲突现象。

5. 传输安全性

在IPv6网络中，除了对以往IPv4的报文精简改进，最大的区别就是强制使用IPSec安全加密传输，让用户不再担心数据抓包导致信息泄密，也避免了大多数据数欺骗攻击。

五、IPv6与IPv4如何互通

文章开头提到，为什么那么多APP会特别标注支持IPv6网络，原因就是，IPv4与IPv6之间网络默认是不能互通的，而支持IPv6的APP即可以在IPv6网络下直接进行访问。

那么，目前互联网上绝大多数设备依然在使用IPv4网络，不可能让所有设备同时切换到IPv6的网络上，在IPv4向IPv6过渡的漫长阶段中，如何使二者网络下的设备能正常访问互联网及互相通讯呢?

1. 双协议栈技术

双协议栈技术是指在路由器或者主机上同时运行IPv4和IPv6协议。

其中大多数应用服务器采用的为双栈主机的解决方案，严格意义上它并不是解决IPv4与IPv6互通的问题，而是适配两种网络模式来为不同网络下的客户端提供服务。

当IPv4网络下的客户端发起请求时，服务器及链路会在IPv4网络下进行响应。同理，当发起客户端处于IPv6网络时，服务器会在IPv6网络下进行响应。

反之，也可以在客户终端上配置双协议栈，来分别访问不同网络协议下的服务器。

2. 隧道技术

目前常见的IPv6隧道传输方案有手工隧道与自动隧道，例如6 over 4、6 to 4等。其中自动隧道因为需要同时配置IPv4和IPv6地址，所以需要双协议栈路由器支持。

隧道技术是指将IPv6的数据包封装在IPv4的数据包里进行发送，它好处就是不需要对现有的IPv4网络进行改造，就可以直接利用隧道来传输IPv6的数据包。

隧道技术主要是为了向IPv6网络过渡过程中减少搭建设备的成本，但是它依然无法解决纯IPv4主机与IPV6主机的互通问题。

3. 网络协议转换技术

IPv6上的网络协议转换技术类似于IPv4上经常使用的NAT技术，但是转换的内容不一样。早期的翻译网关采用的为NAT-PT技术，但是因为技术的局限性和安全性，最终还是改用了NAT64转换技术。

NAT64的工作原理就是搭建一台翻译网关位于IPv4与IPv6网络之间，将通过网关的IPv6与IPv4的数据包进行翻译传输。NAT64一般只能单方向的将发往IPv4网络的IPv6报文进行翻译，而不能主动翻译反方向的IPv4发往IPv6的报文，需要进行静态条目绑定才能真正实现IPv4访问IPv6网络，在技术实现上成本较高。

4. IVI技术

IVI技术是国内研发的翻译网关技术，虽然都属于翻译网关，但是NAT64转换基于状态，而IVI可以进行无状态的映射。

网络运营商通过对一部分IPv4和IPv6地址进行映射，生成IVI专用地址。IPv6网络的用户如果想访问IPv4网络，可以通过IVI网关的映射表获得IPv4地址来直接访问IPv4网络。而IPv4用户如果需要访问IPv6网络，则会通过IVI网关获得IVI-6地址来访问IPv6网络。

目前IVI是IPv4向IPv6过渡的较优方案，原因就是它不需要改变用户的使用习惯和成本，可以直接由运营商进行搭云主机域名建翻译网关来进行双网互访。

六、总结

随着互联网规模的快速发展，IPv4向IPv6转变是必然趋势。

而各国和运营商对IPv6的推动，在不久的将来会有更多的设备和产品加入物联网大环境，原本的设备互联问题将发生巨大改变，作为普通互联网用户也能享受IPv6带来的便利。

（原文作者：IT民工李农）

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