IPv4和IPv6的区别

1 概述
在因特网中，互联通常是指两个或两个以上计算机网络在物理和逻辑上的连接。网络协议建立了互联的规则，是实现网际互联的要素之一。当前，应用最广泛的网络协议是互联网通信协议，其中IPv4（Internet Protocol Version 4，互联网通信协议第四版）被认为是互联网的核心，第六个版本IPv6也处于大规模商用的进程中。在实际应用中，IPv4和IPv6协议在诸多方面存在差异，下面本文就带领大家了解IPv4和IPv6的区别，以及使用IPv6有什么好处。
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格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个逻辑地址，以此来屏蔽物理地址的差异。
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地址用于计算机间通信互联

图1-2    IP地址用于网络设备间通信互联

1.2   什么是IPv4
IPv4是第一个被广泛部署的互联网通信协议版本，迄今为止已使用30多年。它是一种无连接的协议，用于在以太网链路上进行数据转发。IPv4协议的数据转发不保证任何数据包均能送达目的地，也不保证所有数据包按照正确的顺序无重复地到达。该转发方式通常称为“尽力而为”转发。
在互联网中，用户想要将计算机连入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表示法，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不同主机。对于网络号相同的设备，不受物理位置限制，都处在同一个网络中。
在通信过程中，IPv4协议能够通过以上两个字段定位主机的位置：先按照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。在互联网发展初期，IPv4协议得益于其简单、易于实现、互操作性好的优势而得到快速发展。但随着互联网的迅猛发展，IPv4设计的不足也日益明显，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协议用于替代IPv4协议。
IPv6和IPv4协议间最直观的差异在于地址。IPv6的地址分为单播地址、任意播地址（Anycast Address）和组播地址三种类型。与IPv4相比，IPv6取消了广播地址类型，以更丰富的组播地址代替，同时还增加了任意播地址类型。
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。
●    站点本地地址
其作用类似于IPv4中的私网地址，仅能在本地网络使用，在公网上无法被使用转发。
●    链路本地地址
其格式前缀为1111 1110 10，即FE80::/64，用于同一链路相邻节点间的通信。

2 IPv4和IPv6的区别
IPv4和IPv6在诸多方面都存在较大差异。本章将围绕地址空间、报头格式、寻址、自动编址、安全、QoS和可扩展性等方面来说明IPv4和IPv6的区别，以及从两者的差异来了解IPv6有什么好处。
2.1   地址空间
IPv4地址长度32位，可分配地址有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世界的每一粒沙子分配一个地址。
2.2   报头格式
图2-1    IPv4报文头部

图2-2    IPv6报文头部

如图3-1和图3-2报文头部结构所示，IPv6相较于IPv4，具有更简单的数据报头结构，通过以下几种方式最大限度地减少了处理报头所需的时间。
●    将可选字段以及非必要字段如首部长度、标志位等移动到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理，所以相比IPv4，路由器处理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进行，在转发中报文无须进行二次分片。
因此，中转路由器可以更有效地处理IPv6报头，转发报文效率更高。
2.3   层次寻址及路由结构
IPv6地址的编码采用类似于CIDR的分层分级结构，其组成方式类似于电话号码。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”，两者三段不同的代码都由不同的层级所组成。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非常灵活，能有效地对地址进行聚合，简化路由，从而减少路由器必须维护的路由表项数量并加快路由的收敛速度。
IPv4的路由聚合方式一般是根据相同IP前缀进行聚合，所以相比于IPv6，该聚合方式存在两个短板：第一，若IP地址不连续则无法聚合；第二，无法像IPv6一样可以根据多层级进行聚合。当采用IPv6的聚合方式进行地址聚合时，一个企业网核心主干路由器在理论上只需要维护不超过8192个表项，而如果采用IPv4的聚合方式进行地址聚合，路由器需要维护的表项数量将会高达几万甚至十几万以上，从此可以看出，IPv6的聚合方式显著降低了路由器的寻址和存储开销。
2.4   自动编址
IPv6提供了两种地址配置方式：
●    继承IPv4协议的动态主机配置协议，即通过DHCP服务器进行配置的有状态地址配置。
●    IPv6具有即插即用的独有特性，在没有DHCP服务器的场景能通过无状态地址配置获取接口地址。
在无状态地址配置中，同一个链路上的主机会使用邻居发现协议，自动地为接口配置一个适合于本链路的IPv6地址（称为链路本地地址）或者由本地路由器公告的前缀所衍生出来的IPv6地址。
无状态配置链路本地地址的过程仅需1秒钟就能完成。相比之下，使用DHCP的IPv4主机在DHCP发生故障的情况下，要先放弃DHCP的配置，之后自行配置一个IPv4地址，此过程需要整整1分钟的时间。
2.5   内置安全性
IPv6使用内置安全机制对IP协议分组进行认证加密，以此来保护所定义的IP协议数据流量。目前，IPv6支持AH（Authentication Header，认证头）和ESP（Encapsulated Security Payload，封装安全载荷）两种机制。IPv6在网络层对数据包提供认证和加密两种服务，认证机制使接收方能够确认发送方的真实身份以及数据在传输过程中是否受到篡改。加密机制对数据进行编码以保证数据的机密性。IPv4中网络层不提供类似的安全机制。
2.6   QoS支持
QoS（Quality of Service，服务质量）是用于解决网络时延和阻塞的技术。
IPv4的QoS主要使用服务类型（Type of Service）字段，共定义3比特8个优先级。而在IPv6中使用流类别（Traffic Class）字段进行替代，共定义4比特16个优先级，并且IPv6还额外增加一个20位的流标签（Flow Label）字段。中间转发设备可以不通过报头直接识别不同预先定义好的流标签，并且可以根据流标签识别目的节点。目前，IPv6的流标签应用还在试验阶段。
图2-3    IPv4的QoS字段

图2-4    IPv6的QoS字段
  

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性。IPv4报头最多只能支持60字节的可选项，而IPv6扩展报头的大小仅受到整个IPv6包最大字节数的限制。
2.8   两者差异性对比
在前面的章节中，本文围绕“IPv4和IPv6的区别”进行了阐述，表3-1通过将两者的差异性进行罗列对比，从中可以了解与IPv4相比，IPv6有什么好处。

3 IPv4如何向IPv6过渡
上一节围绕“IPv6有什么好处”列出了IPv6的几个优势。那么，既然IPv6的优势如此突出，在当前网络环境中，IPv6是否能够立即取代IPv4么？事实上，由于IPv4的存量过大、IPv4和IPv6协议完全不兼容等原因，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会共存在一个环境中。在此期间用户可以使用IPv6/IPv4的双栈协议、隧道和网络地址转换技术进行过渡转换。
图3-1    IPv6的隧道模型图

●    IPv6/IPv4的双栈协议技术：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。
●    隧道技术：必要时将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。隧道技术在IPv4向IPv6演进的初期应用非常广泛。但是，隧道技术不能实现IPv4主机和IPv6主机之间的通信。
●    协议转换技术：NAT-PT（Stateless IP/ICMP Translation Algorithm）由协议转换技术和动态地址翻译（NAT）技术结合和演进而来，分为静态和动态两种形式。当一台IPv4主机要与IPv6主机通信时，NAT-PT从IPv4地址池中分配一个IPv4池地址标识IPv6对端。在IPv4与IPv6主机通信的过程中，NAT-PT设备生成和维护IPv4池地址与IPv6主机之间的映射关系。

4 总结
从IPv4和IPv6的区别对比来看，IPv6的后期应用优势更大。总体来说，全球IPv6技术不断发展，随着IPv4消耗殆尽，许多国家意识到IPv6取代IPv4已经成为发展的必然趋势，特别是中国，目前已通过一些国家级的项目，来推动IPv6下一代互联网全面部署和大规模商用。

相关链接

IPv6系列基础篇（上）——地址与报文格式

IPv6系列基础篇（下）——邻居发现协议NDP

IPv6系列安全篇——SAVI技术解析

IPv6系列安全篇——园区网IPv6的接入安全策略

IPv6系列应用篇——数据中心IPv4/IPv6双栈架构探讨