IPv6的口號(hào)是：連接一切。

到今天，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量首次超過了全世界的人口。

未來幾年，汽車、電視、數(shù)字機(jī)頂盒、電表、攝像頭、醫(yī)療健康...等數(shù)十億規(guī)模的設(shè)備將連接網(wǎng)絡(luò)。據(jù)Gartner預(yù)計(jì)，到2020年將有超過260億個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)。

不幸的是，IPv4早在上個(gè)世紀(jì)80年代就開發(fā)出來了，IPv4只有43億個(gè)IP地址，而全球人口早已超過60億，每人平均可分配量不到一個(gè)，到2020年，隨著設(shè)備連接數(shù)量的增長， IPv4地址空間可以容納的連網(wǎng)設(shè)備不到估值的20%。

如果互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)要持續(xù)發(fā)展，就必須建立在IPv6基礎(chǔ)之上。

何為IP

IP代表了電腦在Internet網(wǎng)絡(luò)上獨(dú)一無二的地址，用來與其他節(jié)點(diǎn) （電腦）相連溝通。

作用如同門牌號(hào)碼一般。IP地址是用來分辨網(wǎng)絡(luò)上的不同電腦，讓我們可以很容易的知道，誰來過這里做了什么事情。

舉一個(gè)日常生活中的例子。

如上圖所示，住在北大街的住戶要能互相找到對(duì)方，必須各自都要有個(gè)門牌號(hào)，這個(gè)門牌號(hào)就是各家的地址，門牌號(hào)的表示方法為：

北大街+XX號(hào)。假如1號(hào)住戶要找6號(hào)住戶，過程是這樣的，1號(hào)在大街上喊了一聲：”誰是6號(hào)，請(qǐng)回答。”，

這時(shí)北大街的住戶都聽到了，但只有6號(hào)作了回答，這個(gè)喊的過程叫”廣播”，北大街的所有用戶就是他的廣播范圍，假如北大街共有20個(gè)用戶，那廣播地址就是：

北大街 21號(hào)。也就是說，北大街的任何一個(gè)用戶喊一聲能讓”廣播地址-1”個(gè)用戶聽到。

從這個(gè)例中可以抽出下面幾個(gè)詞：

街道地址：北大街，如果給該大街一個(gè)地址則用第一個(gè)住戶的地址-1，此例為：北大街0號(hào)

住戶的號(hào)：如1號(hào)、2號(hào)等。

住戶的地址：街道地址+XX號(hào)，如北大街 1號(hào)、北大街 2號(hào)等

廣播地址：最后一個(gè)住戶的地址+1，此例為：北大街21號(hào)

Internet網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)都有一個(gè)像上述例子的地址，這個(gè)地址就是IP地址，是分配給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的門牌號(hào)，為了網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)能夠互相訪問，IP地址=網(wǎng)絡(luò)地址+主機(jī)地址，圖1中的IP地址是192.168.100.1，這個(gè)地址中包含了很多含義。如下所示：

網(wǎng)絡(luò)地址（相當(dāng)于街道地址）： 192.168.100.0

主機(jī)地址（相當(dāng)于各戶的門號(hào)）： 0.0.0.1

IP地址（相當(dāng)于住戶地址）： 網(wǎng)絡(luò)地址+主機(jī)地址=192.168.100.1

廣播地址： 192.168.100.255

IP地址的結(jié)構(gòu)

IP地址 = 網(wǎng)絡(luò)地址+主機(jī)地址。

網(wǎng)絡(luò)地址（Network ID）

網(wǎng)絡(luò)地址位于 IP 地址的前段，可用來識(shí)別所屬的網(wǎng)絡(luò)。同一網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備，都會(huì)有相同的網(wǎng)絡(luò)地址。IP路由便是依據(jù)IP地址的網(wǎng)絡(luò)地址，決定要將IP包送至哪的網(wǎng)絡(luò)。

主機(jī)地址（Host ID）

主機(jī)地址位于IP的后段，可用來識(shí)別網(wǎng)絡(luò)上個(gè)別的設(shè)備。同一網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備都會(huì)有相同的網(wǎng)絡(luò)地址，而各設(shè)備之間則是以主機(jī)地址來區(qū)別。

由于各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模大小不一，大型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該使用較短的網(wǎng)絡(luò)地址，以便能使用較多的主機(jī)地址；反之，較小的網(wǎng)絡(luò)則應(yīng)該使用較長的IP地址。

為了符合不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的需求，IP在設(shè)計(jì)時(shí)便依據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址的長度，劃分出IP地址等級(jí)。

常見的3種地址等級(jí)

Class A

網(wǎng)絡(luò)地址長度為8 Bits，最左邊的Bit必須為 0。 Class A 的網(wǎng)絡(luò)地址可從00000000(二進(jìn)位)至 01111111(二進(jìn)位),，總共有 27=128 個(gè)。由于Class A 的網(wǎng)絡(luò)地址長度為8 Bits，因此主機(jī)地址長度為 32-8=24Bits，亦即每個(gè)Class A 網(wǎng)絡(luò)可用的主機(jī)地址只有2^24=16777216個(gè)(一千六百多萬)。

大部分Class A的IP地址，早已分配給當(dāng)初參與ARPAnet（Internet 的前身）實(shí)驗(yàn)的政府機(jī)關(guān)、學(xué)術(shù)單位、企業(yè)和非營利組織，例如:美國國防部、麻省理工學(xué)院和惠普公司。

Class B

網(wǎng)絡(luò)地址的長度為16 Bits，最左邊的 2 Bits必須為10（2進(jìn)制），因此Class B 的 IP 地址必然介于128.0.0.0 與191.255.255.255 之間。每個(gè)Class B網(wǎng)絡(luò)可用的主機(jī)地址有 2^16=65536個(gè)，通常用來分配給一些大企業(yè)或 ISP使用.

Class C

網(wǎng)絡(luò)地址的長度為 24 Bits，最左邊的3 Bits必須為110（2進(jìn)制），因此Class C的IP 地址必然介于 192.0.0.0 與 223.255.255.255之間。每個(gè) Class C網(wǎng)絡(luò)可用的主機(jī)地址只有 2^8=256個(gè)，通常用來分配給一些小型企業(yè)。

IPv4演進(jìn)

IPv4使用32Bits地址，因此只有 4,294,967,296（232）個(gè)地址。不過，一些地址是為特殊用途所保留的，如專用網(wǎng)絡(luò)(約18 百萬個(gè)地址）和多播地址（約 270 百萬 個(gè)地址）。

隨著地址不斷被分配，IPv4地址枯竭問題也在隨之產(chǎn)生。

1981年9月， IETF發(fā)布RFC791，此RFC替換了于1980年1月發(fā)布的RFC 760，以面向之前未曾考慮到的移動(dòng)終端設(shè)備。

但是，網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，規(guī)模遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)當(dāng)初的預(yù)期。1990年代前期，IETF開始檢討以下3個(gè)問題：

①IPv4的極限

②IPv4的延續(xù)策略

③設(shè)計(jì)新的IP

IPv4的極限

•IP地址數(shù)的不足

•路由表太大

接續(xù)上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量增加的話路由表也會(huì)跟著變大

因此提出了三種解決辦法：CIDR、NAT和IPv6。

CIDR

廢止IP分類方式，讓網(wǎng)絡(luò)地址的位數(shù)不再一定是8的倍數(shù)，而是可變動(dòng)的，加入維持路徑表大小的技術(shù)，利用路由匯整方式來維持路由表的大小 。

遭遇困難：匯集的網(wǎng)絡(luò)都必須是集中在附近的，這跟目前實(shí)際依組織分配，分布全球的IP規(guī)劃是大不相同的，也使得實(shí)際達(dá)成的可能性微乎其微。

NAT (Network Address Translation)

只對(duì)出入網(wǎng)關(guān)分配真實(shí)地址，內(nèi)部的主機(jī)則采用私有地址的方式；以網(wǎng)關(guān)器來做轉(zhuǎn)換。

遭遇問題：NAT壞點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的透明性( 無法確認(rèn)真實(shí)身份 )，沒有真實(shí)地址，無法達(dá)成P2P通信；NAT使得 QoS 、 Security功能及協(xié)定失效；提高網(wǎng)絡(luò)隱藏性的成本等等。

因此，IPv4的延續(xù)策略盡管暫時(shí)緩解IPv4地址緊張，但不是根本解決辦法。

▲需要注意的是，地址空間不足并不是IPv6的唯一驅(qū)動(dòng)力

于是，開始考量下一代IP協(xié)議，轉(zhuǎn)向IPv6。

轉(zhuǎn)向IPv6

地址空間擴(kuò)充

IPv4的地址長度為32位，地址空間為2的32次方，約42億（世界上平均3個(gè)人有2個(gè)IP地址）。

IPv6的地址長度為128位，地址空間為2的128次方，約3.4×10^38個(gè)（地球上每一粒沙子都有一個(gè)IP地址）。

IPv6地址表示

IPv4地址表示二進(jìn)制：10101100 00010000 00000001 00000001 十進(jìn)制：172.16.1.1

IPv6地址表示十六進(jìn)制 2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff

IPv6地址與IPv4地址表示方法有所不同，用十六進(jìn)制表示，4位一組，中間用“:”隔開。

IPv6地址的壓縮表示

若以零開頭可以省略，連續(xù)全零的組可用“::”表示

IPv6地址 = 前綴 + 接口標(biāo)識(shí)

前綴：相當(dāng)于IPv4地址中的網(wǎng)絡(luò)ID

接口標(biāo)識(shí)：相當(dāng)于IPv4地址中的主機(jī)ID

前綴長度用“/xx”來表示

2001：da8：207：：8207/64

地址前綴部分,或者有固定的值,或者是路由或子網(wǎng)的標(biāo)識(shí)。例如：站點(diǎn)本地地址

IPv6地址分類

單播地址（Unicast Address）

如同 IPv4 的Unicast模式，適用在單一節(jié)點(diǎn)對(duì)單一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送。標(biāo)識(shí)一個(gè)接口，目的地址為單播地址的報(bào)文會(huì)被送到被標(biāo)識(shí)的接口。

這種類型的IPv6地址可區(qū)分為Global、Site-Local、Link-Local和IPv4-Compatible 4種型態(tài)。

①Global 地址:

前3 bits為首碼，內(nèi)容固定是001，最后的64 bits 為接口標(biāo)識(shí)（Interface ID）。Interface ID的功能如同 IPv4 的主機(jī)地址（Host ID）。

②Site-Local 地址:

前10 bits 為首碼，內(nèi)容固定為1111111011，間隔38 bits的0之后，接著16 bits 的子網(wǎng)地址（Subnet ID），最后才是 64 bits 的接口標(biāo)識(shí)。

③Link-Local 地址:

也是用前10 bits為首碼，內(nèi)容固定為1111111010，接著是連續(xù)54 bits的0，最后的64 bits也是接口標(biāo)識(shí)。

④IPv4-Compatible 地址: 沒有所謂的首碼與接口標(biāo)識(shí)，只有原本32 bits的IPv4地址前面，加上96 bits的 0。

組播地址（Multicast Address）

IPv6 的組播整合了IPv4的Multicast及廣播傳送 （Broadcast），適用于單一節(jié)點(diǎn)對(duì)多節(jié)點(diǎn)的傳送。標(biāo)識(shí)多個(gè)接口，目的地址為組播地址的報(bào)文會(huì)被送到被標(biāo)識(shí)的所有接口。

這種類型的 IPv6 地址用前8 bits為首碼，內(nèi)容固定為11111111，最后112 bits為Group ID。

任播地址（Anycast Address）

Anycast是IPv6地址新增的類型。它的特殊之處在于：一個(gè)Anycast地址可以被多個(gè)節(jié)點(diǎn)使用，但是傳送給此地址的報(bào)文，并非真的將它送到這些節(jié)點(diǎn)來，而僅僅是送給距離最近或成本最低（根據(jù)路由表來判斷）的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

以目前的應(yīng)用為例，Anycast地址只能分配給路由器，不能分配給電腦使用，而且不能作為發(fā)送端的地址。這種IPv6地址的首碼長度不固定，首碼以外的位元都是0。

IPv6與IPv4的并存和轉(zhuǎn)換

IPv6的實(shí)現(xiàn)需通過既有IPv4設(shè)備過渡至IPv6, 才能以最少的代價(jià)實(shí)現(xiàn)IPv6應(yīng)用。過渡技術(shù)主要解決IPV4和IPV6網(wǎng)絡(luò)共存狀況下的互聯(lián)互通，主要有三種策略：

雙棧 (Dual-Stack)

雙棧是在原有網(wǎng)路層 (Network Layer) 上, 再增加一個(gè) IPv6的堆棧 (Stack) ，讓主機(jī)同時(shí)具備IPv4和IPv6通訊能力。

隧道技術(shù)( Tunneling )

在 IPv6 報(bào)文進(jìn)入IPv4的網(wǎng)域時(shí)，將IPv6報(bào)文前面加上 IPv4報(bào)頭, 再送入IPv4 網(wǎng)域。當(dāng)離開IPv4網(wǎng)域進(jìn)入IPv6網(wǎng)域時(shí), 再將IPv4的抱頭移除，還原回原本的IPv6報(bào)文。或由MPLS承載在IPv4 Internet海洋中連接多個(gè)IPv6孤島。

協(xié)議轉(zhuǎn)換

提供IPV4和IPV6的互通動(dòng)作。如NAT-PT等提供IPv6與IPv4互相訪問地技術(shù)，適用于IPv6 Inernet與IPv4 Internet共存，而兩者又需要互相通訊的要求。

IPv6的優(yōu)點(diǎn)

近乎無限的地址空間

更簡(jiǎn)潔的報(bào)文頭部

內(nèi)置的安全性

IPv4原本是為學(xué)術(shù)研究而生，因而使用初衷較為單純且環(huán)境也較為封閉，所以安全機(jī)制并不是很完善，

隨著時(shí)代的演進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)的普及程度已今非昔比，所以安全問題更加受到關(guān)注，雖然IPv4通過IPSec提供安全保護(hù)，但架設(shè)與管理也是額外的負(fù)擔(dān)。

而IPv6在設(shè)計(jì)時(shí)已對(duì)安全性的問題進(jìn)行考量，希望提供內(nèi)嵌式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)安全保護(hù)能力，改善安全問題。

更好的QoS支持

更好的移動(dòng)性

編址層次等級(jí)

IPv6應(yīng)用舉例

移動(dòng)通信：隨時(shí)隨地移動(dòng)上網(wǎng)

時(shí)時(shí)在線，雙向通信：網(wǎng)絡(luò)游戲、網(wǎng)絡(luò)課堂、隨時(shí)隨地資源共享

萬物連接：

組播應(yīng)用：

應(yīng)用于出租車聯(lián)網(wǎng)：

還有利用IPv6無狀態(tài)自動(dòng)配置的特點(diǎn)部署IPv6視頻攝像頭等等...

總之，由于IPv4網(wǎng)絡(luò)地址隨著網(wǎng)絡(luò)的需求量而慢慢的被消耗殆盡， 而IPv6補(bǔ)足IPv4所欠缺的，不僅在IP地址空間上增加了許多, 還在安全、自動(dòng)配置......上加強(qiáng)了許多功能。

這次中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動(dòng)計(jì)劃》，將推進(jìn)IPv6規(guī)模部署，高效支撐移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領(lǐng)域快速發(fā)展。