IPv4与IPv6这两种互联网协议之间有什么区别？

对IPv4与IPv6之间的区别感到困惑？

IP是Internet协议的缩写，是一种帮助计算机/设备通过网络相互通信的协议。正如名称中的“v”所暗示的，有不同版本的Internet协议：IPv4和IPv6。

在这篇文章中，我们将深入了解您需要了解的所有内容，以了解IPv4和IPv6两个IP协议之间的区别。以下是我们将介绍的内容：

1. 什么是互联网协议 (IP)？
2. 为什么我们不能像现在这样继续使用 IPv4？
3. IPv4 短缺有多严重？
4. IPv4与IPv6有什么区别？

什么是互联网协议 (IP)？

Internet协议 (IP) 是一组有助于路由数据包的规则，以便数据可以跨网络移动并到达正确的目的地。

当计算机试图发送信息时，它会被分解成更小的块，称为数据包。为了确保这些数据包都能到达正确的位置，每个数据包都包含IP信息。

难题的另一部分是互联网上的每个设备或域都分配了一个IP地址，该地址可以从其他设备中唯一地识别它。

这包括您以前可能遇到过的您自己的计算机。如果您前往众多”what’s my ip“之类的工具，它们会向您显示您计算机的IP地址和对您位置的粗略猜测（除非您使用 VPN，否则应该是准确的）。

您最熟悉的IP地址可能如下所示：

32.253.431.175

通过为每个设备分配一个IP地址，网络能够有效地路由所有这些数据包，并确保它们到达正确的位置。

什么是IPv4？

尽管名称中有“4”，但IPv4实际上是第一个使用的IP版本。它早在1983年就一直推出，即使在今天，它仍然是识别网络上设备的最著名的版本。

IPv4使用32位地址，这是您在讨论“IP地址”时可能最熟悉的格式。这个32位地址空间提供了近43亿个唯一地址，但保留了一些IP块用于特殊用途。

以下是IPv4地址的示例：

32.253.431.175

互联网协议版本 4（IPv4）是互联网的元老级系统。自 20 世纪 80 年代初问世以来，IPv4 一直可靠地传输数据包（电子邮件、信息、视频等）。

但 IPv4 使用的是 32 位地址，看起来像这样： 192.168.0.1.

每个数字由点分隔，范围从 0 到 255。

这就为我们提供了近 43 亿个唯一地址。

这对于早期的互联网来说绰绰有余，但在今天却远远不够。

想想看：地球上有 80 多亿人口，我们中的许多人都有多台设备连接到互联网。如果我们给每部智能手机、笔记本电脑和智能冰箱都分配一个 IPv4 地址，IPv4 地址根本不够用。

这种短缺是必须进行升级的重要原因。

什么是IPv6？

IPv6是IP的较新版本，它使用128位地址格式并包括数字和字母。以下是IPv6地址的示例：

3002:0bd6:0000:0000:0000:ee00:0033:6778

1994 年，开发人员开始创建互联网协议版本 6（IPv6）。它旨在解决可用地址可能枯竭的问题。然而，在当时，这似乎是一种复杂的矫枉过正，因为我们没想到互联网会扩张得如此之快。

现在，IPv6 已成为必需品。

IPv6 使用 128 位地址，提供了约 340 涧（3.4×10的38次方）唯一地址的庞大地址空间。

为了了解 IPv6 地址空间的巨大，我们不妨做一些比较：

• 地球上有 80.5 亿人口。按照目前的人口水平，IPv6 可以为地球上的每个人提供约 46 千秭个（4.6×10 的 28 次方） 唯一地址。
• IPv6 地址的数量比地球上的沙粒还多（估计约为 7,500,000,000,000,000 或 7.5×10 的 38 次方）。
• IPv6 地址的数量超过了可观测宇宙中恒星的数量（估计约为7×10 的 22 次方）。

虽然 IPv6 地址空间似乎过大，但它为未来的增长提供了充足的空间，而且无需使用网络地址转换（NAT）等地址保护技术。我们稍后再讨论这个问题。

随着物联网（IoT）的不断扩展，预计每个家庭将有 100 台或更多设备连接到互联网，因此拥有一个巨大的地址空间可以确保我们在很长一段时间内不会面临地址耗尽的问题。

为什么没有 IPv5？

你可能想知道，为什么我们要从 IPv4 跳到 IPv6，而跳过版本 5。

20 世纪 70 年代末，IPv5 被分配给一个名为“互联网流协议（ST）”的实验性协议。

然而，ST 协议从未得到广泛采用，后来被废弃了。为了避免与现有的 ST 协议相混淆，互联网协议的下一个版本被命名为 IPv6。

为什么我们需要新版本的IP？

此时，您可能想知道为什么还会存在IPv6。

好吧，虽然IPv4中的43亿个潜在IP地址看起来很多，但我们需要更多的IP地址！

世界上有很多人拥有很多设备。随着物联网设备（物联网）和传感器的兴起，这是一个更大的问题，因为它们极大地扩展了连接设备的池。

简而言之，世界上唯一的IPv4地址已经用完了，这就是我们需要IPv6的最大原因。

不过，还有一些其他更具体的技术原因——让我们讨论一下。

为什么我们不能像现在这样继续使用 IPv4？

因为我们没有 IPv4 地址了。

早在 2011 年，互联网编号分配机构（IANA）就将最后一个 IPv4 地址块分配给了地区互联网注册管理机构（RIR）。 从那时起，这些地区互联网注册管理机构就一直在扩充剩余的 IPv4 地址，但有些地区已经完全用完了。

这并不是一个新问题。

1992 年 6 月，互联网出乎意料的指数式增长导致 RFC 1338《Supernetting: an Address Assignment and Aggregation Strategy》的发布。这份备忘录首次讨论了 “32 位 IP 地址空间最终耗尽”的后果。

两年后，RFC 1631《IP 网络地址转换器（NAT）》发布。

要理解为什么我们的互联网还能正常运行，就必须了解路由和网络所涉及的概念和技术。

简单地说，目前我们通过运营商级 NAT（CGN）等技术尽可能共享和重复使用 IP。

以下是 CGN 的简单概述，以及它成为问题的原因：

假设你家里有一个路由器（假设是 Wi-Fi 路由器），它有一个全局 IP 地址。

当您将设备连接到 WiFi 时，路由器会为您分配一个本地 IP ，而您的全局 IP 地址则与路由器的相同。

您的所有上网请求，如观看 Instagram 短片、YouTube 视频或阅读本博客时的请求，都是通过路由器和单一的全局 IP 地址发送的。

现在，如果你的路由器晚上不活动，你的互联网服务提供商（ISP）就会把你的 IP 地址重新分配给想要使用互联网的人。

如果您仔细想想，就会发现随着越来越多的设备连接到互联网并需要全天候访问，比如您的语音助手（Alexa Echo Dot、Google Home、Apple Home 等）或您的监控摄像头，这就成了一个问题。

虽然 CGN 可以提供帮助，但它也带来了新的问题–网络性能下降、路由复杂以及需要用户之间直接连接的应用程序的问题。

IPv6 通过庞大的地址空间直接解决了这些问题。由于 IPv6 允许真正的端到端连接，因此不再需要共享。它还具有更高的安全性、更简单的网络设置以及对移动设备的更好支持。

IPv4 短缺有多严重？

ISP 及其客户多年来一直在担心 IPv4 地址短缺的问题，ServerFault 用户的这篇帖子就是证明。为了利用可用的 IPv4 地址池，网络提供商采取了以下措施：

1. 互联网服务提供商在城市之间反复调整 IPv4 地址块，这将导致短暂的中断，并使客户的连接重置。
2. 为了节省地址，DHCP 租约时间从几天缩短到几分钟。这意味着，如果你的路由器在几分钟内没有活动，ISP 就会把你的 IP 分配给别人。
3. 在客户自备设备（CPE）上启用 NAT，即使是那些因为没有 IP 而选择退出的客户也不例外。
4. 使用 MAC 地址限制，限制可同时连接到网络的设备数量。
5. 为以前拥有实际 IP 地址的客户部署运营商级 NAT（CGN）。

问题出在哪里？这些措施降低了 ISP 客户的服务质量。

IPv4 地址空间的碎片化还导致了管理开销、成本增加，甚至由于主干路由器上内容可寻址内存（CAM）容量的限制而造成中断。

虽然 NAT 是解决 IPv4 地址短缺的临时办法，但它的作用越来越小。

互联网服务提供商已经拥有多层 NAT，这导致连接可靠性降低，网络问题变得极难识别和调试。

IPv4与IPv6有什么区别？

现在，让我们了解一下IPv4与IPv6之间的区别。

最明显的区别，也是最适用于普通人的，是格式的区别：

• IPv4使用32位地址
• IPv6使用128地址

在不涉及数学的情况下（我们将把它留到下一节）​​，这意味着IPv6提供的地址是IPv4的1,028倍，这基本上解决了“地址用尽”问题（至少在可预见的将来）。

IPv6也是用冒号分隔的字母数字地址，而IPv4只是数字并用句点分隔。同样，这是每个示例：

• IPv4 – 32.253.431.175
• IPv6 – 3002:0bd6:0000:0000:0000:ee00:0033:6778

IPv4与IPv6之间也存在一些技术差异，尽管非开发人员并不真正需要了解它们。一些最显着的技术差异是：

• IPv6包括内置的服务质量 (QoS)。
• IPv6具有内置的网络安全层 (IPsec)。
• IPv6消除了网络地址转换 (NAT) 并允许在IP层实现端到端连接。
• 多播是IPv6中基本规范的一部分，而在IPv4中是可选的。多播允许在一次操作中将数据包传输到多个目的地。
• IPv6具有更大的数据包标头（大约是IPv4的两倍）。

速度

一般来说，IPv4与IPv6的速度之间没有重大差异，尽管一些证据确实表明IPv6在某些情况下可能会稍快一些。

在“无差异”方面，Sucuri在同时支持IPv4和IPv6的站点上进行了一系列测试，发现在他们测试的大多数站点上基本没有差异。

但是，您也可以找到一些证据表明IPv6更快。例如，Facebook的工程博客指出“我们观察到通过IPv6访问Facebook的速度要快10-15%”。

同样，Akamai在iPhone/移动网络上测试了单个URL，发现该站点的平均加载时间在使用IPv6时比使用IPv4快5%。

但是，变量很多，因此如果不进行严格控制的实验，就很难比较性能。

IPv6可能更快的一个原因是它不会在网络地址转换 (NAT) 上浪费时间。但是，IPv6也有更大的数据包标头，因此在某些用例中可能会更慢。

受欢迎程度

尽管随着IPv6采用率的增加，这些数字正在发生变化，但IPv4仍然是使用最广泛的Internet协议。

全球采用IPv6

Google维护世界各国Google用户IPv6可用性的公开统计数据。这些数字是通过IPv6而不是IPv4访问Google网站的所有流量的百分比。

在全球范围内，IPv6的可用性约为32%，但各国之间的差异很大。例如，美国的IPv6采用率超过41%，而英国的采用率约为30%，西班牙的采用率仅为2.5%。

每个国家/地区的IPv6采用率

可用地址数量

正如我们上面提到的，IPv6支持的IP地址是IPv4的1,028倍。

IPv4支持大约42.9亿个地址。

另一方面，IPv6支持……嗯，编写它的最简单方法是2^128个不同的地址。如果您对确切数字感兴趣，以下是IPv6提供的唯一地址数量：340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456

这意味着在我们用完IPv6地址之前，我们还有很长的路要走！

IPv4 使用 32 位地址，而 IPv6 使用 128 位地址。这一差异对可用地址的数量有很大影响：

IPv6 更大的地址空间消除了对 NAT 的需求。有了 IPv6，每台设备都能获得自己唯一的全局可路由地址，从而简化了网络配置并允许直接连接。

从这个角度来看，如果我们试图为地球上的 80 亿人每人分配一个 IPv4 地址，我们的 IPv4 地址就会用完。

然而，我们需要为地球上的每个人分配 47 千秭（4.7乘以10的28次方）个地址才能用完 IPv6。

数据包报头结构

IPv4 和 IPv6 数据包就像在互联网上传输数据的信封。

就像信封一样，它们也有一个包含重要传输信息的报头。不过，IPv4 和 IPv6 有不同的报头设计：

IPv4 报头就像大小可变的信封。它们有 12 个信息字段和一个校验和，有助于确保内容未被篡改。

IPv4 还允许发送方和邮局（路由器）在需要时将大数据包分解成小块。

另一方面，IPv6 报头就像大小固定的标准化信封。它们只有八个信息字段，没有校验和。IPv6 只允许发送方分解大数据包，不允许邮局（路由器）分解大数据包。

这种简化的结构具有以下优势：

• 处理速度更快：由于字段较少且大小固定，邮局可以更快地分类和传送 IPv6 数据包，从而减少延迟并提高整体网络速度。
• 转发效率更高：由于 IPv6 没有校验和，路由器无需在每一站验证封印，从而加快了递送过程。此外，由于数据包只能由发送方分解，路由器只需转发即可。
• 更好地支持附加功能 ：IPv6 有特殊的报头，可以附加到主封套上，从而有效地添加新功能，如安全性、移动性和优先级处理。

安全

IPv6 必须使用IPsec，这是一套加密、验证和保护 IP 数据包完整性的协议。这确保了 IPv6 流量的安全性，降低了窥探和数据篡改的风险。

IPv6 还包括隐私扩展，可让设备生成随机地址，使攻击者在不同网络中追踪单个设备时更具挑战性。

与 IPv4 相比，IPv6 的强制 IPsec 支持具有以下优势：

• 保密性：IPsec 对 IP 数据包中的数据进行加密，防止未经授权的访问。
• 提高完整性：IPsec 的数据完整性检查可防止篡改，确保数据完好无损地到达目的地。
• 强大的身份验证功能：IPsec 实现了发送方和接收方之间的相互验证，可验证双方身份并阻止欺骗攻击。

IPv6 的隐私扩展还解决了无状态地址自动配置（SLAAC）的潜在问题。

设备在连接网络时，可使用其 MAC 地址创建 IPv6 地址。但是，由于 MAC 地址不会自动更改，因此设备可以在不同网络中被跟踪。

隐私扩展解决了这一问题，它让设备生成周期性变化的随机 IPv6 地址，从而使设备更难被追踪，并提高了用户隐私保护。

服务质量（QoS）

服务质量（QoS）是一种将某些类型的互联网流量优先于其他流量的方法。这对于视频通话或在线游戏等需要快速、流畅地传输数据而不会出现延迟或中断的情况非常重要。
IPv4 和 IPv6 有不同的 QoS 处理方式：

IPv4 有一个小的“服务类型”字段，用于确定流量的优先级，但仅限于 8 位。
IPv6 引入了更大的“流量标签”字段，可以更好地对流量进行标记和优先级排序。
这有助于网络识别重要数据，如视频通话或游戏，并提供更好的性能和稳定性，即使在网络拥塞时也是如此。

组播

组播是一种同时向许多设备发送数据的方式，对视频流或在线游戏等非常有用。IPv4 和 IPv6 处理组播的方式不同。

在 IPv4 中，IANA 在 224.0.0.0/4 范围内分配了数量有限的组播地址。

IPv6 的这些地址池要大得多，并允许设备自动为自己分配这些地址。这使得使用组播更容易，比如同时向许多人传输视频流。

IPv6 还拥有特殊的“请求节点”地址，每个设备都会自动获得。这些地址可以帮助设备在网络上相互查找，避免地址冲突，使网络运行更加顺畅。

DNS 支持

域名系统 (DNS) 就像互联网上的电话簿。它将你在浏览器中输入的网站名称（如 www.example.com）转换成计算机用来相互查找的特定 IP 地址。

IPv4 和 IPv6 在 DNS 支持方面的主要区别包括

1. IPv6 地址存储在 AAAA 记录（发音为“quad-A”）中，相当于 IPv4 中的 A 记录。
2. IPv6 使用 IP6.ARPA 域进行 DNS 反向查询，而 IPv4 使用 IN-ADDR.ARPA。
3. DNS 服务器必须拥有 IPv6 地址，才能通过 IPv6 网络访问。

为了顺利切换到 IPv6，DNS 服务器和程序需要更新，以便同时理解 IPv4 和 IPv6 记录。这样，两类地址就能在转换过程中协同工作。

物联网（IoT）中的 IPv6

IPv6 对物联网（IoT）非常重要，物联网是指连接到互联网的各种设备，如智能家居小工具和工业设备。以下是 IPv6 与 IPv4 在物联网方面的比较：

IPv6 为物联网带来了多项优势：

1. 地址可用性 ：IPv4 的地址数量有限（43 亿），而 IPv6 的地址数量庞大（340 涧（3.4×10的38次方））。这意味着 IPv6 可以支持比 IPv4 更多的物联网设备。
2. 设置：IPv4 需要手动设置或 DHCP 进行地址分配，而 IPv6 允许设备自动创建地址（SLAAC）。这使得 IPv6 在设置物联网设备时更加简单。
3. 通信：与 IPv4 相比，IPv6 具有更好的组播功能，使物联网设备与控制器之间的通信更加高效。
4. 安全：IPv6 内置强制加密（IPsec），为物联网设备提供更好的安全性。而 IPv4 默认情况下不具备这种功能。

随着物联网设备数量的增加，IPv6 将变得越来越重要，因为与 IPv4 相比，IPv6 具有更大的地址空间、更简单的设置、更好的通信和更高的安全性。

概括

Internet协议 (IP) 有助于在网络中路由数据。为此，每个设备都分配有一个IP地址。

IPv4是1983年推出的原始版本。但是，其32位格式仅允许约43亿个唯一地址，无法满足现代世界的需求。

为了解决缺少唯一IPv4地址的问题（并进行一些其他技术更改），创建了IPv6。IPv6使用128位地址格式，提供的唯一地址是IPv4的1,028倍。

对于大多数人来说，这就是您需要知道的全部内容——IPv6使用不同的格式并提供比IPv4更多的唯一地址。