1 概述
在因特網(wǎng)中，互聯(lián)通常是指兩個(gè)或兩個(gè)以上計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在物理和邏輯上的連接。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議建立了互聯(lián)的規(guī)則，是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際互聯(lián)的要素之一。當(dāng)前，應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，其中IPv4（Internet Protocol Version 4，互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第四版）被認(rèn)為是互聯(lián)網(wǎng)的核心，第六個(gè)版本IPv6也處于大規(guī)模商用的進(jìn)程中。在實(shí)際應(yīng)用中，IPv4和IPv6協(xié)議在諸多方面存在差異，下面本文就帶領(lǐng)大家了解IPv4和IPv6的區(qū)別，以及使用IPv6有什么好處。
1.1   什么是IP地址
IP地址是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，又稱(chēng)為網(wǎng)際協(xié)議地址。IP地址是IP協(xié)議提供的一種統(tǒng)一的地址格式，它為互聯(lián)網(wǎng)上的每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和每一臺(tái)主機(jī)分配一個(gè)邏輯地址，以此來(lái)屏蔽物理地址的差異。
其中，IP地址分為IPv4和IPv6兩大類(lèi)，通常我們所說(shuō)的IP地址指的是IPv4。
圖1-1    IP地址用于計(jì)算機(jī)間通信互聯(lián)

圖1-2    IP地址用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間通信互聯(lián)

1.2   什么是IPv4
IPv4是第一個(gè)被廣泛部署的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議版本，迄今為止已使用30多年。它是一種無(wú)連接的協(xié)議，用于在以太網(wǎng)鏈路上進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。IPv4協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)不保證任何數(shù)據(jù)包均能送達(dá)目的地，也不保證所有數(shù)據(jù)包按照正確的順序無(wú)重復(fù)地到達(dá)。該轉(zhuǎn)發(fā)方式通常稱(chēng)為“盡力而為”轉(zhuǎn)發(fā)。
在互聯(lián)網(wǎng)中，用戶(hù)想要將計(jì)算機(jī)連入IPv4網(wǎng)絡(luò)，就需要向互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供方申請(qǐng)一個(gè)IP地址。IP地址是由32位二進(jìn)制數(shù)，即4個(gè)字節(jié)組成的，通常被稱(chēng)為點(diǎn)分十進(jìn)制表示法，分為兩個(gè)部分：
●    網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼字段
用來(lái)標(biāo)識(shí)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
●    主機(jī)號(hào)碼字段
用來(lái)區(qū)分一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同主機(jī)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)號(hào)相同的設(shè)備，不受物理位置限制，都處在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。
在通信過(guò)程中，IPv4協(xié)議能夠通過(guò)以上兩個(gè)字段定位主機(jī)的位置：先按照網(wǎng)絡(luò)號(hào)碼字段尋找到主機(jī)所在的網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)主機(jī)號(hào)碼字段找到主機(jī)。
1.3   什么是IPv6
IPv6被稱(chēng)為是下一代互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議。在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期，IPv4協(xié)議得益于其簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、互操作性好的優(yōu)勢(shì)而得到快速發(fā)展。但隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，IPv4設(shè)計(jì)的不足也日益明顯，其中最主要的問(wèn)題是IPv4地址逐漸耗盡問(wèn)題。為解決IPv4協(xié)議缺陷引發(fā)的一系列問(wèn)題，IETF設(shè)計(jì)了IPv6協(xié)議用于替代IPv4協(xié)議。
IPv6和IPv4協(xié)議間最直觀的差異在于地址。IPv6的地址分為單播地址、任意播地址（Anycast Address）和組播地址三種類(lèi)型。與IPv4相比，IPv6取消了廣播地址類(lèi)型，以更豐富的組播地址代替，同時(shí)還增加了任意播地址類(lèi)型。
其中IPv6單播地址又分為以下3種：
●    全球單播地址
其作用類(lèi)似于IPv4中的公網(wǎng)地址，也就是可以在公網(wǎng)上被使用轉(zhuǎn)發(fā)。
●    站點(diǎn)本地地址
其作用類(lèi)似于IPv4中的私網(wǎng)地址，僅能在本地網(wǎng)絡(luò)使用，在公網(wǎng)上無(wú)法被使用轉(zhuǎn)發(fā)。
●    鏈路本地地址
其格式前綴為1111 1110 10，即FE80::/64，用于同一鏈路相鄰節(jié)點(diǎn)間的通信。

2 IPv4和IPv6的區(qū)別
IPv4和IPv6在諸多方面都存在較大差異。本章將圍繞地址空間、報(bào)頭格式、尋址、自動(dòng)編址、安全、QoS和可擴(kuò)展性等方面來(lái)說(shuō)明IPv4和IPv6的區(qū)別，以及從兩者的差異來(lái)了解IPv6有什么好處。
2.1   地址空間
IPv4地址長(zhǎng)度32位，可分配地址有2^32個(gè)，約為43億，而IPv6的地址長(zhǎng)度由IPv4的32位擴(kuò)展到128位，有2^128個(gè)地址。甚至可以說(shuō)，IPv6協(xié)議的地址數(shù)目多到足以為全世界的每一粒沙子分配一個(gè)地址。
2.2   報(bào)頭格式
圖2-1    IPv4報(bào)文頭部

圖2-2    IPv6報(bào)文頭部

如圖3-1和圖3-2報(bào)文頭部結(jié)構(gòu)所示，IPv6相較于IPv4，具有更簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)報(bào)頭結(jié)構(gòu)，通過(guò)以下幾種方式最大限度地減少了處理報(bào)頭所需的時(shí)間。
●    將可選字段以及非必要字段如首部長(zhǎng)度、標(biāo)志位等移動(dòng)到IPv6的擴(kuò)展報(bào)頭。由于除Hop-by-Hop選項(xiàng)擴(kuò)展報(bào)頭外，其他擴(kuò)展報(bào)頭不受中轉(zhuǎn)路由器檢查或處理，所以相比IPv4，路由器處理IPv6報(bào)頭的耗時(shí)更少。
●    IPv6報(bào)頭中沒(méi)有設(shè)計(jì)校驗(yàn)字段。
●    IPv6報(bào)文的分片在源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，在轉(zhuǎn)發(fā)中報(bào)文無(wú)須進(jìn)行二次分片。
因此，中轉(zhuǎn)路由器可以更有效地處理IPv6報(bào)頭，轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文效率更高。
2.3   層次尋址及路由結(jié)構(gòu)
IPv6地址的編碼采用類(lèi)似于CIDR的分層分級(jí)結(jié)構(gòu)，其組成方式類(lèi)似于電話號(hào)碼。如：電話的組成是“國(guó)家或地區(qū)代碼+區(qū)號(hào)+電話號(hào)碼”，IPv6的地址編碼是“頂級(jí)聚合ID+次級(jí)聚合ID+站點(diǎn)級(jí)聚合ID”，兩者三段不同的代碼都由不同的層級(jí)所組成。由于IPv6網(wǎng)絡(luò)前綴可以進(jìn)一步細(xì)分成多個(gè)級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)，因此其分級(jí)尋址結(jié)構(gòu)非常靈活，能有效地對(duì)地址進(jìn)行聚合，簡(jiǎn)化路由，從而減少路由器必須維護(hù)的路由表項(xiàng)數(shù)量并加快路由的收斂速度。
IPv4的路由聚合方式一般是根據(jù)相同IP前綴進(jìn)行聚合，所以相比于IPv6，該聚合方式存在兩個(gè)短板：第一，若IP地址不連續(xù)則無(wú)法聚合；第二，無(wú)法像IPv6一樣可以根據(jù)多層級(jí)進(jìn)行聚合。當(dāng)采用IPv6的聚合方式進(jìn)行地址聚合時(shí)，一個(gè)企業(yè)網(wǎng)核心主干路由器在理論上只需要維護(hù)不超過(guò)8192個(gè)表項(xiàng)，而如果采用IPv4的聚合方式進(jìn)行地址聚合，路由器需要維護(hù)的表項(xiàng)數(shù)量將會(huì)高達(dá)幾萬(wàn)甚至十幾萬(wàn)以上，從此可以看出，IPv6的聚合方式顯著降低了路由器的尋址和存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)。
2.4   自動(dòng)編址
IPv6提供了兩種地址配置方式：
●    繼承IPv4協(xié)議的動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議，即通過(guò)DHCP服務(wù)器進(jìn)行配置的有狀態(tài)地址配置。
●    IPv6具有即插即用的獨(dú)有特性，在沒(méi)有DHCP服務(wù)器的場(chǎng)景能通過(guò)無(wú)狀態(tài)地址配置獲取接口地址。
在無(wú)狀態(tài)地址配置中，同一個(gè)鏈路上的主機(jī)會(huì)使用鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，自動(dòng)地為接口配置一個(gè)適合于本鏈路的IPv6地址（稱(chēng)為鏈路本地地址）或者由本地路由器公告的前綴所衍生出來(lái)的IPv6地址。
無(wú)狀態(tài)配置鏈路本地地址的過(guò)程僅需1秒鐘就能完成。相比之下，使用DHCP的IPv4主機(jī)在DHCP發(fā)生故障的情況下，要先放棄DHCP的配置，之后自行配置一個(gè)IPv4地址，此過(guò)程需要整整1分鐘的時(shí)間。
2.5   內(nèi)置安全性
IPv6使用內(nèi)置安全機(jī)制對(duì)IP協(xié)議分組進(jìn)行認(rèn)證加密，以此來(lái)保護(hù)所定義的IP協(xié)議數(shù)據(jù)流量。目前，IPv6支持AH（Authentication Header，認(rèn)證頭）和ESP（Encapsulated Security Payload，封裝安全載荷）兩種機(jī)制。IPv6在網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)包提供認(rèn)證和加密兩種服務(wù)，認(rèn)證機(jī)制使接收方能夠確認(rèn)發(fā)送方的真實(shí)身份以及數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否受到篡改。加密機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼以保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性。IPv4中網(wǎng)絡(luò)層不提供類(lèi)似的安全機(jī)制。
2.6   QoS支持
QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）是用于解決網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和阻塞的技術(shù)。
IPv4的QoS主要使用服務(wù)類(lèi)型（Type of Service）字段，共定義3比特8個(gè)優(yōu)先級(jí)。而在IPv6中使用流類(lèi)別（Traffic Class）字段進(jìn)行替代，共定義4比特16個(gè)優(yōu)先級(jí)，并且IPv6還額外增加一個(gè)20位的流標(biāo)簽（Flow Label）字段。中間轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備可以不通過(guò)報(bào)頭直接識(shí)別不同預(yù)先定義好的流標(biāo)簽，并且可以根據(jù)流標(biāo)簽識(shí)別目的節(jié)點(diǎn)。目前，IPv6的流標(biāo)簽應(yīng)用還在試驗(yàn)階段。
圖2-3    IPv4的QoS字段

圖2-4    IPv6的QoS字段
  

2.7   可擴(kuò)展性
IPv6具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可以在IPv6報(bào)頭后的擴(kuò)展報(bào)頭中添加新特性。IPv4報(bào)頭最多只能支持60字節(jié)的可選項(xiàng)，而IPv6擴(kuò)展報(bào)頭的大小僅受到整個(gè)IPv6包最大字節(jié)數(shù)的限制。
2.8   兩者差異性對(duì)比
在前面的章節(jié)中，本文圍繞“IPv4和IPv6的區(qū)別”進(jìn)行了闡述，表3-1通過(guò)將兩者的差異性進(jìn)行羅列對(duì)比，從中可以了解與IPv4相比，IPv6有什么好處。

3 IPv4如何向IPv6過(guò)渡
上一節(jié)圍繞“IPv6有什么好處”列出了IPv6的幾個(gè)優(yōu)勢(shì)。那么，既然IPv6的優(yōu)勢(shì)如此突出，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，IPv6是否能夠立即取代IPv4么？事實(shí)上，由于IPv4的存量過(guò)大、IPv4和IPv6協(xié)議完全不兼容等原因，顯然在短期內(nèi)IPv6無(wú)法直接取代IPv4，因此在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)IPv4和IPv6會(huì)共存在一個(gè)環(huán)境中。在此期間用戶(hù)可以使用IPv6/IPv4的雙棧協(xié)議、隧道和網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行過(guò)渡轉(zhuǎn)換。
圖3-1    IPv6的隧道模型圖

●    IPv6/IPv4的雙棧協(xié)議技術(shù)：使IPv6網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)IPv4棧和一個(gè)IPv6棧，同時(shí)支持IPv4和IPv6協(xié)議。
●    隧道技術(shù)：必要時(shí)將IPv6數(shù)據(jù)包作為數(shù)據(jù)封裝在IPv4數(shù)據(jù)包里，使IPv6數(shù)據(jù)包能在已有的IPv4基礎(chǔ)設(shè)施（主要是指IPv4路由器）上傳輸?shù)臋C(jī)制。隧道技術(shù)在IPv4向IPv6演進(jìn)的初期應(yīng)用非常廣泛。但是，隧道技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)IPv4主機(jī)和IPv6主機(jī)之間的通信。
●    協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)：NAT-PT（Stateless IP/ICMP Translation Algorithm）由協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)和動(dòng)態(tài)地址翻譯（NAT）技術(shù)結(jié)合和演進(jìn)而來(lái)，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式。當(dāng)一臺(tái)IPv4主機(jī)要與IPv6主機(jī)通信時(shí)，NAT-PT從IPv4地址池中分配一個(gè)IPv4池地址標(biāo)識(shí)IPv6對(duì)端。在IPv4與IPv6主機(jī)通信的過(guò)程中，NAT-PT設(shè)備生成和維護(hù)IPv4池地址與IPv6主機(jī)之間的映射關(guān)系。

4 總結(jié)
從IPv4和IPv6的區(qū)別對(duì)比來(lái)看，IPv6的后期應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更大。總體來(lái)說(shuō)，全球IPv6技術(shù)不斷發(fā)展，隨著IPv4消耗殆盡，許多國(guó)家意識(shí)到IPv6取代IPv4已經(jīng)成為發(fā)展的必然趨勢(shì)，特別是中國(guó)，目前已通過(guò)一些國(guó)家級(jí)的項(xiàng)目，來(lái)推動(dòng)IPv6下一代互聯(lián)網(wǎng)全面部署和大規(guī)模商用。