網絡編程懶人入門(十一)：一文讀懂什麼是IPv6

本文同時發佈於「即時通信技術圈」公衆號，連接是： https://mp.weixin.qq.com/s/cS5xB2DrjF52rmz6EGVJ6A。
本文參考了公衆號鮮棗課堂的「IPv6，究竟是什麼？」一文的部份內容，感謝原做者。

一、引言

如今IPv6的技術應用已經愈來愈普及了，不少應用都開始支持IPv6。

▲ 去年開始，支付寶的官網上就已出現「支持IPv6」標識

對於即時通信技術（尤爲是IM應用）的開發者來講，新產品上架蘋果的App Store因IPv6問題被拒的狀況，很常見。每次也都能根據網上的資料一一解決，並順利經過審覈。

然而幾回下來，到底什麼是IPv6，仍是有點雲裏霧裏。

那麼，IP協議在TCP/IP體系中到底有多重要？看看下圖便知（緣由清晰版：今後處進入下載）。

▲ 紅圈處就是IP協議，它幾乎是整個TCP/IP協議簇的支撐（圖引用自《計算機網絡通信協議關係圖》）

總之，IP協議在TCP/IP體系中，是很是重要的一環（能夠認爲，沒它，也就沒有了互聯網），做爲IPv4的下一代協議，瞭解IPv6很是有必要。而做爲即時通信開發者來講，瞭解IPv6就顯的尤其迫切，說不定某天你的IM就會由於IPv6問題而致使沒法通訊的局面出現。

本文將用淺顯易懂的文字，帶你瞭解到底什麼是IPv6。

（本文同步發佈於：http://www.52im.net/thread-2979-1-1.html）

二、系列文章

本文是系列文章中的第11篇，本系列文章的大綱以下：

《 網絡編程懶人入門(一)：快速理解網絡通訊協議（上篇）》
《 網絡編程懶人入門(二)：快速理解網絡通訊協議（下篇）》
《 網絡編程懶人入門(三)：快速理解TCP協議一篇就夠》
《 網絡編程懶人入門(四)：快速理解TCP和UDP的差別》
《 網絡編程懶人入門(五)：快速理解爲何說UDP有時比TCP更有優點》
《 網絡編程懶人入門(六)：史上最通俗的集線器、交換機、路由器功能原理入門》
《 網絡編程懶人入門(七)：深刻淺出，全面理解HTTP協議》
《 網絡編程懶人入門(八)：手把手教你寫基於TCP的Socket長鏈接》
《 網絡編程懶人入門(九)：通俗講解，有了IP地址，爲什麼還要用MAC地址？》
《 網絡編程懶人入門(十)：一泡尿的時間，快速讀懂QUIC協議》
《 網絡編程懶人入門(十一)：一文讀懂什麼是IPv6》（本文）

三、複習一下什麼是IPv4？

IPv4是Internet Protocol version 4的縮寫，中文翻譯爲互聯網通訊協議第四版，一般簡稱爲網際協議版本4。

IPv4使用32位（4字節）地址，所以地址空間中只有 4,294,967,296（即2^32） 個地址。

IPv4地址可被寫做任何表示一個32位整數值的形式，但爲了方便人類閱讀和分析，它一般被寫做點分十進制的形式，即四個字節被分開用十進制寫出，中間用點分隔。

一般IPv4地址的地址格式爲 nnn.nnn.nnn.nnn，就像下面這樣：

172.16.254.1

下圖看起來更清晰一些：

四、IPv6又是什麼？

IPv6是Internet Protocol version 6的縮寫，中文翻譯爲互聯網通訊協議（TCP/IP協議）第6版，一般簡稱爲網際協議版6。IPv6具備比IPv4大得多的編碼地址空間，用它來取代IPv4主要是爲了解決IPv4地址枯竭問題，同時它也在其餘方面對於IPv4有許多改進。

其實，IPv6並非新技術，從IPv6最先的工做組成立1992年到如今，已過去27年。在互聯網技術的發展歷程中，IPv6年齡甚至有些太大了。

IPv6的「6」表示的是TCP/IP協議的第六個版本，IPv4的「4」表示的是TCP/IP協議的第四個版本。其實除了這兩個版本，固然還有其它版本，TCP/IP協議其實從IPv1開始，到如今IPv10都已經出現了，這些不一樣版本之間並無關聯，也不是簡單IP地址長度的長短。

IPv6地址由八組、每組四位16進制數字組成，每組之間由"："來分隔。

看個簡單的例子：

2610:00f8:0c34:67f9:0200:83ff:fe94:4c36，每一個「：」先後都是4位16進制的數字，共分隔成8組。

以下圖所示： 

小知識：如何查看手機或者電腦的網絡是否支持IPv6呢？

能夠在你手機或者電腦上的瀏覽器中打開：Ipv6-test.com，就像下圖這樣： 

五、爲何要使用IPv6？

最主要的緣由，就是地址數量不夠用了。

IPv4迄今爲止已經使用了30多年。最先期的時候，互聯網只是設計給美國軍方用的，根本沒有考慮到它會變得如此龐大，成爲全球網絡。

尤爲是進入21世紀後，隨着計算機和智能手機的迅速普及，互聯網開始爆發性發展，愈來愈多的上網設備出現，愈來愈多的人開始鏈接互聯網。這就意味着，須要愈來愈多的IP地址。

IPv4的地址總數是2的32次方，也就是約42.9億個。而全球的網民總數早已超過這個數目。

因此說，IPv4地址池接近枯竭，根本沒法知足互聯網發展的須要。人們迫切須要更高版本的IP協議，更大數量的IP地址池。（有點像固定電話號碼升位。）

六、IPv6會帶給咱們什麼？

首先，最重要的一點，就是前面所說的地址池擴容。IPv4的地址池是約42.9億，IPv6能達到多少呢？

數量以下：

340282366920938463463374607431768211456個…

不用數了，太多了… 簡單說，是2的128次方。

這個數量，即便是給地球上每一顆沙子都分配一個IP，也是妥妥夠用的。

▲ 這圖你看懂了嗎？嗯，我也沒看懂，反正就是不少的樣子

這個數量值是怎麼得來的呢？仍是它的地址位長決定的。

若是以二進制來寫，IPv6的地址是128位。不過，這樣寫顯然不太方便（一行都寫不下）。因此，一般用十六進制來寫，也就縮短成32位（32位會分爲8組，每組4位）。 

下面就是一個標準、合法的IPv6地址示例：

2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

注意：IPv6的地址是能夠簡寫的，每項數字前導的0能夠省略。

例如，下面這個地址：

2001:0DB8:02de:0000:0000:0000:0000:0e13

粉紅的「0」就能夠省略，變成：

2001: DB8:2de:0:0:0:0:e13

若是有一組或連續幾組都是0，那麼能夠簡寫成「::」，也就是：

2001: DB8:2de::e13

注意：一個IPv6地址，只能有一個「::」。

爲何？很簡單，你看下面這四個地址，若是全部0全都縮寫，會變成什麼樣？

2001:0000:0000:0000:0000:25de:0000:cade
2001: 0000: 0000:0000:25de:0000:0000:cade
2001: 0000: 0000:25de:0000:0000:0000:cade
2001: 0000: 25de:0000:0000:0000:0000:cade

是的，都是2001::25de::cade，衝突了。因此，這個地址是非法的，不容許存在的。

關於IPv6還有不少技術細節，因篇幅緣由，再也不贅述。

除了地址數量以外，IPv6還有不少優勢，例如：

1）IPv6使用更小的路由表。使得路由器轉發數據包的速度更快；
2）IPv6增長了加強的組播支持以及對流的控制，對多媒體應用頗有利，對服務質量（QoS）控制也頗有利；
3）IPv6加入了對自動配置的支持。這是對DHCP協議的改進和擴展，使得網絡（尤爲是局域網）的管理更加方便和快捷；
4）IPv6具備更高的安全性。用戶能夠對網絡層的數據進行加密並對IP報文進行校驗，極大地加強了網絡的安全性；
5）IPv6具備更好的擴容能力。若是新的技術或應用須要時，IPV6容許協議進行擴充；
6）IPv6具備更好的頭部格式。IPV6使用新的頭部格式，就簡化和加速了路由選擇過程，提升了效率；
……

七、IPv6的優勢這麼多，爲何以前普及卻這麼慢？

IPv6優勢這麼多，爲何它問世已經20年了，仍是沒有徹底替代IPv4呢？這裏面的水就很深了。。。說白了，主要仍是和利益有關。

7.1 NAT這類技術，讓IPv4得以續命

若是按照本世紀初專家們的預測，咱們IPv4的地址早已枯竭幾萬次了。可是，一直挺到如今，你們仍然還在用IPv4，對老百姓來講，並無由於地址不夠而沒法上網。

這是爲何呢？ 就是由於除了IPv6以外，咱們還有一些技術，能夠變相地緩解地址不足。

例如NAT（Network Address Translation，網絡地址轉換）。

NAT是什麼意思？當咱們在家裏或公司上網時，你的電腦確定有一個相似192.168.0.1的地址，這種地址屬於私網地址，不屬於公共的互聯網地址。

▲ 一個典型的NAT應用場景（圖自《IPv6，究竟是什麼？》）

每個小的局域網，都會使用一個網段的私網地址，在與外界鏈接時，再變換成公網地址。這樣一來，幾十個或幾百個電腦，都只須要一個公網地址。

甚至還能夠私網套私網，NAT套NAT，一層一層套。這樣一來，大大節約了公網IP地址數量。正由於如此，才讓咱們「續命」到了今天，不至於沒法上網。

可是，NAT這種方式也有不少缺點，雖然私網地址訪問互聯網地址方便，但互聯網地址訪問私網地址就困難了。不少服務，都會受到限制，你只能經過複雜的設置才能解決，也會影響網絡的處理效率。

▲ NAT內網的計算機是不能被外網直接訪問的（圖自《IPv6，究竟是什麼？》）

7.2 升級IPv6涉及運營商的利益

物以稀爲貴，地址越稀缺，就越值錢。掌握地址的人，就越開心。誰開心？運營商和ISP（互聯網服務提供商）。

他們就像是經銷商，從上游（互聯網域名與號碼分配機構，即ICANN）申請到IP地址，再賣給下游用戶。稀缺不要緊，反正，他必定能賺取更多的差價。

若是你們去找運營商或ISP買帶寬，或者租賃雲服務，帶公共地址的，必定比不帶公共地址的貴不少不少。

除了地址能夠賺錢以外，若是升級支持IPv6，對運營商和ISP來講，也意味着很大的資金投入。如今新設備基本都是支持的，但畢竟仍是有一些老設備，若是在使用壽命到期以前就換，就是虧錢。

因此，運營商和ISP都沒有動力去啓用IPv6。 

至於設備商或手機電腦廠商，出於提早考慮，早已廣泛支持了IPv6，意見並非很大，也決定不了什麼。必竟，提供基礎設施服務的運營商們更強勢。

八、IPv6將來會怎樣

隨着5G時代的到來，有了IPv6的加持，萬物互聯或許會成爲現實。對於我等實時通訊類軟件的開發人員來講，某些場景下，或許不再須要爲「P2P打洞」這種事情煩惱了。 

▲ 5G+IPv6，萬物互聯不是夢

將來已來，你準備好了嗎？

九、參考資料

[1] IPv6入門教程

[2] IPv6，究竟是什麼？

[3] 關於IPv6的發展史！IPv6的祕密史！

[4] 科普：一文讀懂IPv6是什麼？

[5] 漫話：全球IPv4地址正式耗盡？到底什麼是IPv4和IPv6？

附錄：更多網絡編程基礎知識文章

《 TCP/IP詳解 -  第11章·UDP：用戶數據報協議》
《 TCP/IP詳解 -  第17章·TCP：傳輸控制協議》
《 TCP/IP詳解 -  第18章·TCP鏈接的創建與終止》
《 TCP/IP詳解 -  第21章·TCP的超時與重傳》
《 技術往事：改變世界的TCP/IP協議（珍貴多圖、手機慎點）》
《 通俗易懂-深刻理解TCP協議（上）：理論基礎》
《 通俗易懂-深刻理解TCP協議（下）：RTT、滑動窗口、擁塞處理》
《 理論經典：TCP協議的3次握手與4次揮手過程詳解》
《 理論聯繫實際：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次揮手過程》
《 計算機網絡通信協議關係圖（中文珍藏版）》
《 UDP中一個包的大小最大能多大？》
《 P2P技術詳解(一)：NAT詳解——詳細原理、P2P簡介》
《 P2P技術詳解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解(基本原理篇)》
《 P2P技術詳解(三)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案詳解(進階分析篇)》
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