IPv6：连接一切

IPv6的口号是：连接一切。

到今天，全球联网设备数量首次超过了全世界的人口。

未来几年，汽车、电视、数字机顶盒、电表、摄像头、医疗健康...等数十亿规模的设备将连接网络。据Gartner预计，到2020年将有超过260亿个物联网设备连接到互联网。

不幸的是，IPv4早在上个世纪80年代就开发出来了，IPv4只有43亿个IP地址，而全球人口早已超过60亿，每人平均可分配量不到一个，到2020年，随着设备连接数量的增长， IPv4地址空间可以容纳的连网设备不到估值的20%。

如果互联网和物联网要持续发展，就必须建立在IPv6基础之上。

何为IP

IP代表了电脑在Internet网络上独一无二的地址，用来与其他节点 （电脑）相连沟通。

作用如同门牌号码一般。IP地址是用来分辨网络上的不同电脑，让我们可以很容易的知道，谁来过这里做了什么事情。

举一个日常生活中的例子。

如上图所示，住在北大街的住户要能互相找到对方，必须各自都要有个门牌号，这个门牌号就是各家的地址，门牌号的表示方法为：

北大街+XX号。假如1号住户要找6号住户，过程是这样的，1号在大街上喊了一声：”谁是6号，请回答。”，

这时北大街的住户都听到了，但只有6号作了回答，这个喊的过程叫”广播”，北大街的所有用户就是他的广播范围，假如北大街共有20个用户，那广播地址就是：

北大街 21号。也就是说，北大街的任何一个用户喊一声能让”广播地址-1”个用户听到。

从这个例中可以抽出下面几个词：

街道地址：北大街，如果给该大街一个地址则用第一个住户的地址-1，此例为：北大街0号

住户的号：如1号、2号等。

住户的地址：街道地址+XX号，如北大街 1号、北大街 2号等

广播地址：最后一个住户的地址+1，此例为：北大街21号

Internet网络中，每个上网的计算机都有一个像上述例子的地址，这个地址就是IP地址，是分配给网络设备的门牌号，为了网络中的计算机能够互相访问，IP地址=网络地址+主机地址，图1中的IP地址是192.168.100.1，这个地址中包含了很多含义。如下所示：

网络地址（相当于街道地址）： 192.168.100.0

主机地址（相当于各户的门号）： 0.0.0.1

IP地址（相当于住户地址）： 网络地址+主机地址=192.168.100.1

广播地址： 192.168.100.255

IP地址的结构

IP地址 = 网络地址+主机地址。

网络地址（Network ID）

网络地址位于 IP 地址的前段，可用来识别所属的网络。同一网络上的所有设备，都会有相同的网络地址。IP路由便是依据IP地址的网络地址，决定要将IP包送至哪的网络。

主机地址（Host ID）

主机地址位于IP的后段，可用来识别网络上个别的设备。同一网络上的设备都会有相同的网络地址，而各设备之间则是以主机地址来区别。

由于各个网络的规模大小不一，大型的网络应该使用较短的网络地址，以便能使用较多的主机地址；反之，较小的网络则应该使用较长的IP地址。

为了符合不同网络规模的需求，IP在设计时便依据网络地址的长度，划分出IP地址等级。

常见的3种地址等级

Class A

网络地址长度为8 Bits，最左边的Bit必须为 0。 Class A 的网络地址可从00000000(二进位)至 01111111(二进位),，总共有 27=128 个。由于Class A 的网络地址长度为8 Bits，因此主机地址长度为 32-8=24Bits，亦即每个Class A 网络可用的主机地址只有2^24=16777216个(一千六百多万)。

大部分Class A的IP地址，早已分配给当初参与ARPAnet（Internet 的前身）实验的政府机关、学术单位、企业和非营利组织，例如:美国国防部、麻省理工学院和惠普公司。

Class B

网络地址的长度为16 Bits，最左边的 2 Bits必须为10（2进制），因此Class B 的 IP 地址必然介于128.0.0.0 与191.255.255.255 之间。每个Class B网络可用的主机地址有 2^16=65536个，通常用来分配给一些大企业或 ISP使用.

Class C

网络地址的长度为 24 Bits，最左边的3 Bits必须为110（2进制），因此Class C的IP 地址必然介于 192.0.0.0 与 223.255.255.255之间。每个 Class C网络可用的主机地址只有 2^8=256个，通常用来分配给一些小型企业。

IPv4演进

IPv4使用32Bits地址，因此只有 4,294,967,296（232）个地址。不过，一些地址是为特殊用途所保留的，如专用网络(约18 百万个地址）和多播地址（约 270 百万 个地址）。

随着地址不断被分配，IPv4地址枯竭问题也在随之产生。

1981年9月， IETF发布RFC791，此RFC替换了于1980年1月发布的RFC 760，以面向之前未曾考虑到的移动终端设备。

但是，网络的快速发展，规模远超设计当初的预期。1990年代前期，IETF开始检讨以下3个问题：

①IPv4的极限

②IPv4的延续策略

③设计新的IP

IPv4的极限

•IP地址数的不足

•路由表太大

接续上的网络数量增加的话路由表也会跟着变大

因此提出了三种解决办法：CIDR、NAT和IPv6。

CIDR

废止IP分类方式，让网络地址的位数不再一定是8的倍数，而是可变动的，加入维持路径表大小的技术，利用路由汇整方式来维持路由表的大小 。

遭遇困难：汇集的网络都必须是集中在附近的，这跟目前实际依组织分配，分布全球的IP规划是大不相同的，也使得实际达成的可能性微乎其微。

NAT (Network Address Translation)

只对出入网关分配真实地址，内部的主机则采用私有地址的方式；以网关器来做转换。

遭遇问题：NAT坏点对点的透明性( 无法确认真实身份 )，没有真实地址，无法达成P2P通信；NAT使得 QoS 、 Security功能及协定失效；提高网络隐藏性的成本等等。

因此，IPv4的延续策略尽管暂时缓解IPv4地址紧张，但不是根本解决办法。

▲需要注意的是，地址空间不足并不是IPv6的唯一驱动力

于是，开始考量下一代IP协议，转向IPv6。

转向IPv6

地址空间扩充

IPv4的地址长度为32位，地址空间为2的32次方，约42亿（世界上平均3个人有2个IP地址）。

IPv6的地址长度为128位，地址空间为2的128次方，约3.4×10^38个（地球上每一粒沙子都有一个IP地址）。

IPv6地址表示

IPv4地址表示二进制：10101100 00010000 00000001 00000001 十进制：172.16.1.1

IPv6地址表示十六进制 2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff

IPv6地址与IPv4地址表示方法有所不同，用十六进制表示，4位一组，中间用“:”隔开。

IPv6地址的压缩表示

若以零开头可以省略，连续全零的组可用“::”表示

IPv6地址 = 前缀 + 接口标识

前缀：相当于IPv4地址中的网络ID

接口标识：相当于IPv4地址中的主机ID

前缀长度用“/xx”来表示

2001：da8：207：：8207/64

地址前缀部分,或者有固定的值,或者是路由或子网的标识。例如：站点本地地址

IPv6地址分类

单播地址（Unicast Address）

如同 IPv4 的Unicast模式，适用在单一节点对单一节点的数据传送。标识一个接口，目的地址为单播地址的报文会被送到被标识的接口。

这种类型的IPv6地址可区分为Global、Site-Local、Link-Local和IPv4-Compatible 4种型态。

①Global 地址:

前3 bits为首码，内容固定是001，最后的64 bits 为接口标识（Interface ID）。Interface ID的功能如同 IPv4 的主机地址（Host ID）。

②Site-Local 地址:

前10 bits 为首码，内容固定为1111111011，间隔38 bits的0之后，接着16 bits 的子网地址（Subnet ID），最后才是 64 bits 的接口标识。

③Link-Local 地址:

也是用前10 bits为首码，内容固定为1111111010，接着是连续54 bits的0，最后的64 bits也是接口标识。

④IPv4-Compatible 地址: 没有所谓的首码与接口标识，只有原本32 bits的IPv4地址前面，加上96 bits的 0。

组播地址（Multicast Address）

IPv6 的组播整合了IPv4的Multicast及广播传送 （Broadcast），适用于单一节点对多节点的传送。标识多个接口，目的地址为组播地址的报文会被送到被标识的所有接口。

这种类型的 IPv6 地址用前8 bits为首码，内容固定为11111111，最后112 bits为Group ID。

任播地址（Anycast Address）

Anycast是IPv6地址新增的类型。它的特殊之处在于：一个Anycast地址可以被多个节点使用，但是传送给此地址的报文，并非真的将它送到这些节点来，而仅仅是送给距离最近或成本最低（根据路由表来判断）的一个节点。

以目前的应用为例，Anycast地址只能分配给路由器，不能分配给电脑使用，而且不能作为发送端的地址。这种IPv6地址的首码长度不固定，首码以外的位元都是0。

IPv6与IPv4的并存和转换

IPv6的实现需通过既有IPv4设备过渡至IPv6, 才能以最少的代价实现IPv6应用。过渡技术主要解决IPV4和IPV6网络共存状况下的互联互通，主要有三种策略：

双栈 (Dual-Stack)

双栈是在原有网路层 (Network Layer) 上, 再增加一个 IPv6的堆栈 (Stack) ，让主机同时具备IPv4和IPv6通讯能力。

隧道技术( Tunneling )

在 IPv6 报文进入IPv4的网域时，将IPv6报文前面加上 IPv4报头, 再送入IPv4 网域。当离开IPv4网域进入IPv6网域时, 再将IPv4的抱头移除，还原回原本的IPv6报文。或由MPLS承载在IPv4 Internet海洋中连接多个IPv6孤岛。

协议转换

提供IPV4和IPV6的互通动作。如NAT-PT等提供IPv6与IPv4互相访问地技术，适用于IPv6 Inernet与IPv4 Internet共存，而两者又需要互相通讯的要求。

IPv6的优点

近乎无限的地址空间

更简洁的报文头部

内置的安全性

IPv4原本是为学术研究而生，因而使用初衷较为单纯且环境也较为封闭，所以安全机制并不是很完善，

随着时代的演进，网络的普及程度已今非昔比，所以安全问题更加受到关注，虽然IPv4通过IPSec提供安全保护，但架设与管理也是额外的负担。

而IPv6在设计时已对安全性的问题进行考量，希望提供内嵌式的点对点安全保护能力，改善安全问题。

更好的QoS支持

更好的移动性

编址层次等级

IPv6应用举例

移动通信：随时随地移动上网

时时在线，双向通信：网络游戏、网络课堂、随时随地资源共享

万物连接：

组播应用：

应用于出租车联网：

还有利用IPv6无状态自动配置的特点部署IPv6视频摄像头等等...

总之，由于IPv4网络地址随着网络的需求量而慢慢的被消耗殆尽， 而IPv6补足IPv4所欠缺的，不仅在IP地址空间上增加了许多, 还在安全、自动配置......上加强了许多功能。

这次中共中央办公厅、国务院办公厅印发《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，将推进IPv6规模部署，高效支撑移动互联网、物联网、工业互联网、云计算、大数据、人工智能等新兴领域快速发展。