IPv4和IPv6的区别

本文先容IPv4和IPv6手艺原理、典范场景，以及两者的区别及利益

宣布时间：2022-05-23
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我想谈论

1 概述
在因特网中，互联通常是指两个或两个以上盘算机网络在物理和逻辑上的毗连。网络协议建设了互联的规则，是实现网际互联的要素之一。目今，应用最普遍的网络协议是互联网通讯协议，其中IPv4（Internet Protocol Version 4，互联网通讯协议第四版）被以为是互联网的焦点，第六个版本IPv6也处于大规模商用的历程中。在现实应用中，IPv4和IPv6协议在诸多方面保存差别，下面本文就向导各人相识IPv4和IPv6的区别，以及使用IPv6有什么利益。
1.1 什么是IP地址
IP地址是互联网协议地址，又称为网际协议地址。IP地址是IP协议提供的一种统一的地址名堂，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分派一个逻辑地址，以此来屏障物理地址的差别。
其中，IP地址分为IPv4和IPv6两大类，通常我们所说的IP地址指的是IPv4。
图1-1 IP地址用于盘算机间通讯互联
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图1-2 IP地址用于网络装备间通讯互联
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1.2 什么是IPv4
IPv4是第一个被普遍安排的互联网通讯协议版本，迄今为止已使用30多年。它是一种无毗连的协议，用于在以太网链路上举行数据转发。IPv4协议的数据转发不包管任何数据包均能送达目的地，也不包管所有数据包凭证准确的顺序无重复地抵达。该转发方法通常称为“起劲而为”转发。
在互联网中，用户想要将盘算机连入IPv4网络，就需要向互联网服务提供方申请一个IP地址。IP地址是由32位二进制数，即4个字节组成的，通常被称为点分十进制体现法，分为两个部分：
● 网络号码字段
用来标识一个网络。
● 主机号码字段
用来区分一个网络内的差别主机。关于网络号相同的装备，不受物理位置限制，都处在统一个网络中。
在通讯历程中，IPv4协议能够通过以上两个字段定位主机的位置：先凭证网络号码字段寻找到主机所在的网络，再通过主机号码字段找到主机。
1.3 什么是IPv6
IPv6被称为是下一代互联网的协议。在互联网生长初期，IPv4协议得益于其简朴、易于实现、互操作性好的优势而获得快速生长。但随着互联网的迅猛生长，IPv4设计的缺乏也日益显着，其中最主要的问题是IPv4地址逐渐耗尽问题。为解决IPv4协议缺陷引发的一系列问题，IETF设计了IPv6协议用于替换IPv4协议。
IPv6和IPv4协议间最直观的差别在于地址。IPv6的地址分为单播地址、恣意播地址（Anycast Address）和组播地址三种类型。与IPv4相比，IPv6作废了广播地址类型，以更富厚的组播地址取代，同时还增添了恣意播地址类型。
其中IPv6单播地址又分为以下3种：
● 全球单播地址
其作用类似于IPv4中的公网地址，也就是可以在公网上被使用转发。
● 站点外地地址
其作用类似于IPv4中的私网地址，仅能在外地网络使用，在公网上无法被使用转发。
● 链路外地地址
其名堂前缀为1111 1110 10，即FE80::/64，用于统一链路相邻节点间的通讯。

2 IPv4和IPv6的区别
IPv4和IPv6在诸多方面都保存较大差别。本章将围绕地址空间、报头名堂、寻址、自动编址、清静、QoS和可扩展性等方面来说明IPv4和IPv6的区别，以及从两者的差别来相识IPv6有什么利益。
2.1 地址空间
IPv4地址长度32位，可分派地址有2^32个，约为43亿，而IPv6的地址长度由IPv4的32位扩展到128位，有2^128个地址。甚至可以说，IPv6协议的地址数目多到足以为全天下的每一粒沙子分派一个地址。
2.2 报头名堂
图2-1 IPv4报文头部
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图2-2 IPv6报文头部
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如图3-1和图3-2报文头部结构所示，IPv6相较于IPv4，具有更简朴的数据报头结构，通过以下几种方法最大限度地镌汰了处置惩罚报头所需的时间。
● 将可选字段以及非须要字段如首部长度、标记位等移动到IPv6的扩展报头。由于除Hop-by-Hop选项扩展报头外，其他扩展报头不受中转路由器检查或处置惩罚，以是相比IPv4，路由器处置惩罚IPv6报头的耗时更少。
● IPv6报头中没有设计校验字段。
● IPv6报文的分片在源节点举行，在转发中报文无须举行二次分片。
因此，中转路由器可以更有用地处置惩罚IPv6报头，转发报文效率更高。
2.3 条理寻址及路由结构
IPv6地址的编码接纳类似于CIDR的分层分级结构，其组成方法类似于电话号码。如：电话的组成是“国家或地区代码+区号+电话号码”，IPv6的地址编码是“顶级聚合ID+次级聚合ID+站点级聚合ID”，两者三段差别的代码都由差别的层级所组成。由于IPv6网络前缀可以进一步细分成多个级别的网络，因此其分级寻址结构很是无邪，能有用地对地址举行聚合，简化路由，从而镌汰路由器必需维护的路由表项数目并加速路由的收敛速率。
IPv4的路由聚合方法一样平常是凭证相同IP前缀举行聚合，以是相比于IPv6，该聚合方法保存两个短板：第一，若IP地址不一连则无法聚合；第二，无法像IPv6一样可以凭证多层级举行聚合。当接纳IPv6的聚合方法举行地址聚适时，一个企业网焦点主干路由器在理论上只需要维护不凌驾8192个表项，而若是接纳IPv4的聚合方法举行地址聚合，路由器需要维护的表项数目将会高达几万甚至十几万以上，以后可以看出，IPv6的聚合方法显著降低了路由器的寻址和存储开销。
2.4 自动编址
IPv6提供了两种地址设置方法：
● 继续IPv4协议的动态主机设置协议，即通过DHCP服务器举行设置的有状态地址设置。
● IPv6具有即插即用的独吞特征，在没有DHCP服务器的场景能通过无状态地址设置获取接口地址。
在无状态地址设置中，统一个链路上的主机会使用邻人发明协议，自动地为接口设置一个适合于本链路的IPv6地址（称为链路外地地址）或者由外地路由器通告的前缀所衍生出来的IPv6地址。
无状态设置链路外地地址的历程仅需1秒钟就能完成。相比之下，使用DHCP的IPv4主机在DHCP爆发故障的情形下，要先放弃DHCP的设置，之后自行设置一个IPv4地址，此历程需要整整1分钟的时间。
2.5 内置清静性
IPv6使用内置清静机制对IP协议分组举行认证加密，以此来�；に缢档腎P协议数据流量。现在，IPv6支持AH（Authentication Header，认证头）和ESP（Encapsulated Security Payload，封装清静载荷）两种机制。IPv6在网络层对数据包提招供证和加密两种服务，认证机制使吸收方能够确认发送方的真实身份以及数据在传输历程中是否受到改动。加密机制对数据举行编码以包管数据的神秘性。IPv4中网络层不提供类似的清静机制。
2.6 QoS支持
QoS（Quality of Service，服务质量）是用于解决网络时延和壅闭的手艺。
IPv4的QoS主要使用服务类型（Type of Service）字段，共界说3比特8个优先级。而在IPv6中使用流种别（Traffic Class）字段举行替换，共界说4比特16个优先级，并且IPv6还特殊增添一个20位的流标签（Flow Label）字段。中心转发装备可以欠亨过报头直接识别差别预先界说好的流标签，并且可以凭证流标签识别目的节点。现在，IPv6的流标签应用还在试验阶段。
图2-3 IPv4的QoS字段
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图2-4 IPv6的QoS字段
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2.7 可扩展性
IPv6具有很强的可扩展性，可以在IPv6报头后的扩展报头中添加新特征。IPv4报头最多只能支持60字节的可选项，而IPv6扩展报头的巨细仅受到整个IPv6包最大字节数的限制。
2.8 两者差别性比照
在前面的章节中，本文围绕“IPv4和IPv6的区别”举行了叙述，表3-1通过将两者的差别性举行枚举比照，从中可以相识与IPv4相比，IPv6有什么利益。

**表2-1 IPv4和IPv6差别性比照**
报文特征	IPv4支持情形	IPv6支持情形	IPv6有什么利益
地址空间	2^32地址数目	2^128地址数目	IPv6拥有更大空间
报头名堂	报头中包括可选字段和校验字段	简化报头名堂	IPv6作废了IPv4的偏移和填充等字段，转发效率更高
路由聚合	一样平常凭证前缀举行简单聚合	拥有分级寻址结构	IPv6聚合方法更无邪和高效
即插即用	需要手动设置	无状态方法自动设置	IPv6支持即插即用
清静性	无清静性	内置清静加密	IPv6数据传输拥有认证和加密，更清静
QoS功效	一样平常没有使用	拥有更多QoS字段	IPv6可以更细腻化界说流量优先级
可扩展性	最多扩展60字节	仅受IPv6最大字节数限制	IPv6可扩展性更好

3 IPv4怎样向IPv6过渡
上一节围绕“IPv6有什么利益”列出了IPv6的几个优势。那么，既然IPv6的优势云云突出，在目今网络情形中，IPv6是否能够连忙取代IPv4么？事实上，由于IPv4的存量过大、IPv4和IPv6协议完全不兼容等缘故原由，显然在短期内IPv6无法直接取代IPv4，因此在相当一段时间内IPv4和IPv6会共保存一个情形中。在此时代用户可以使用IPv6/IPv4的双栈协议、隧道和网络地址转换手艺举行过渡转换。
图3-1 IPv6的隧道模子图
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● IPv6/IPv4的双栈协议手艺：使IPv6网络节点具有一个IPv4栈和一个IPv6栈，同时支持IPv4和IPv6协议。
● 隧道手艺：须要时将IPv6数据包作为数据封装在IPv4数据包里，使IPv6数据包能在已有的IPv4基础设施（主要是指IPv4路由器）上传输的机制。隧道手艺在IPv4向IPv6演进的初期应用很是普遍。可是，隧道手艺不可实现IPv4主机和IPv6主机之间的通讯。
● 协议转换手艺：NAT-PT（Stateless IP/ICMP Translation Algorithm）由协议转换手艺和动态地址翻译（NAT）手艺团结和演进而来，分为静态和动态两种形式。当一台IPv4主神秘与IPv6主机通讯时，NAT-PT从IPv4地址池中分派一个IPv4池地址标识IPv6对端。在IPv4与IPv6主机通讯的历程中，NAT-PT装备天生和维护IPv4池地址与IPv6主机之间的映射关系。

4 总结
从IPv4和IPv6的区别比照来看，IPv6的后期应用优势更大。总体来说，全球IPv6手艺一直生长，随着IPv4消耗殆尽，许多国家意识到IPv6取代IPv4已经成为生长的一定趋势，特殊是中国，现在已通过一些国家级的项目，来推动IPv6下一代互联网周全安排和大规模商用。

相关链接

IPv6系列基础篇（上）——地址与报文名堂

IPv6系列基础篇（下）——邻人发明协议NDP

IPv6系列清静篇——SAVI手艺剖析

IPv6系列清静篇——园区网IPv6的接入清静战略

IPv6系列应用篇——数据中心IPv4/IPv6双栈架构探讨