IPv4與IPv6這兩種網際網路協議之間有什麼區別？

對IPv4與IPv6之間的區別感到困惑？

IP是Internet協議的縮寫，是一種幫助計算機/裝置通過網路相互通訊的協議。正如名稱中的“v”所暗示的，有不同版本的Internet協議：IPv4和IPv6。

在這篇文章中，我們將深入瞭解您需要了解的所有內容，以瞭解IPv4和IPv6兩個IP協議之間的區別。以下是我們將介紹的內容：

1. 什麼是網際網路協議 (IP)？
2. 為什麼我們不能像現在這樣繼續使用 IPv4？
3. IPv4 短缺有多嚴重？
4. IPv4與IPv6有什麼區別？

什麼是網際網路協議 (IP)？

Internet協議 (IP) 是一組有助於路由資料包的規則，以便資料可以跨網路移動併到達正確的目的地。

當計算機試圖傳送資訊時，它會被分解成更小的塊，稱為資料包。為了確保這些資料包都能到達正確的位置，每個資料包都包含IP資訊。

難題的另一部分是網際網路上的每個裝置或域都分配了一個IP地址，該地址可以從其他裝置中唯一地識別它。

這包括您以前可能遇到過的您自己的計算機。如果您前往眾多”what’s my ip“之類的工具，它們會向您顯示您計算機的IP地址和對您位置的粗略猜測（除非您使用 VPN，否則應該是準確的）。

您最熟悉的IP地址可能如下所示：

32.253.431.175

通過為每個裝置分配一個IP地址，網路能夠有效地路由所有這些資料包，並確保它們到達正確的位置。

什麼是IPv4？

儘管名稱中有“4”，但IPv4實際上是第一個使用的IP版本。它早在1983年就一直推出，即使在今天，它仍然是識別網路上裝置的最著名的版本。

IPv4使用32位地址，這是您在討論“IP地址”時可能最熟悉的格式。這個32位地址空間提供了近43億個唯一地址，但保留了一些IP塊用於特殊用途。

以下是IPv4地址的示例：

32.253.431.175

網際網路協議版本 4（IPv4）是網際網路的元老級系統。自 20 世紀 80 年代初問世以來，IPv4 一直可靠地傳輸資料包（電子郵件、資訊、視訊等）。

但 IPv4 使用的是 32 位地址，看起來像這樣： 192.168.0.1.

每個數字由點分隔，範圍從 0 到 255。

這就為我們提供了近 43 億個唯一地址。

這對於早期的網際網路來說綽綽有餘，但在今天卻遠遠不夠。

想想看：地球上有 80 多億人口，我們中的許多人都有多臺裝置連線到網際網路。如果我們給每部智慧手機、膝上型電腦和智慧冰箱都分配一個 IPv4 地址，IPv4 地址根本不夠用。

這種短缺是必須進行升級的重要原因。

什麼是IPv6？

IPv6是IP的較新版本，它使用128位地址格式幷包括數字和字母。以下是IPv6地址的示例：

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

1994 年，開發人員開始建立網際網路協議版本 6（IPv6）。它旨在解決可用地址可能枯竭的問題。然而，在當時，這似乎是一種複雜的矯枉過正，因為我們沒想到網際網路會擴張得如此之快。

現在，IPv6 已成為必需品。

IPv6 使用 128 位地址，提供了約 340 澗（3.4×10的38次方）唯一地址的龐大地址空間。

為了瞭解 IPv6 地址空間的巨大，我們不妨做一些比較：

• 地球上有 80.5 億人口。按照目前的人口水平，IPv6 可以為地球上的每個人提供約 46 千秭個（4.6×10 的 28 次方） 唯一地址。
• IPv6 地址的數量比地球上的沙粒還多（估計約為 7,500,000,000,000,000 或 7.5×10 的 38 次方）。
• IPv6 地址的數量超過了可觀測宇宙中恆星的數量（估計約為7×10 的 22 次方）。

雖然 IPv6 地址空間似乎過大，但它為未來的增長提供了充足的空間，而且無需使用網路地址轉換（NAT）等地址保護技術。我們稍後再討論這個問題。

隨著物聯網（IoT）的不斷擴充套件，預計每個家庭將有 100 臺或更多裝置連線到網際網路，因此擁有一個巨大的地址空間可以確保我們在很長一段時間內不會面臨地址耗盡的問題。

為什麼沒有 IPv5？

你可能想知道，為什麼我們要從 IPv4 跳到 IPv6，而跳過版本 5。

20 世紀 70 年代末，IPv5 被分配給一個名為“網際網路流協議（ST）”的實驗性協議。

然而，ST 協議從未得到廣泛採用，後來被廢棄了。為了避免與現有的 ST 協議相混淆，網際網路協議的下一個版本被命名為 IPv6。

為什麼我們需要新版本的IP？

此時，您可能想知道為什麼還會存在IPv6。

好吧，雖然IPv4中的43億個潛在IP地址看起來很多，但我們需要更多的IP地址！

世界上有很多人擁有很多裝置。隨著物聯網裝置（物聯網）和感測器的興起，這是一個更大的問題，因為它們極大地擴充套件了連線裝置的池。

簡而言之，世界上唯一的IPv4地址已經用完了，這就是我們需要IPv6的最大原因。

不過，還有一些其他更具體的技術原因——讓我們討論一下。

為什麼我們不能像現在這樣繼續使用 IPv4？

因為我們沒有 IPv4 地址了。

早在 2011 年，網際網路編號分配機構（IANA）就將最後一個 IPv4 地址塊分配給了地區網際網路註冊管理機構（RIR）。 從那時起，這些地區網際網路註冊管理機構就一直在擴充剩餘的 IPv4 地址，但有些地區已經完全用完了。

這並不是一個新問題。

1992 年 6 月，網際網路出乎意料的指數式增長導致 RFC 1338《Supernetting: an Address Assignment and Aggregation Strategy》的釋出。這份備忘錄首次討論了 “32 位 IP 地址空間最終耗盡”的後果。

兩年後，RFC 1631《IP 網路地址轉換器（NAT）》釋出。

要理解為什麼我們的網際網路還能正常執行，就必須瞭解路由和網路所涉及的概念和技術。

簡單地說，目前我們通過運營商級 NAT（CGN）等技術儘可能共享和重複使用 IP。

以下是 CGN 的簡單概述，以及它成為問題的原因：

假設你家裡有一個路由器（假設是 Wi-Fi 路由器），它有一個全域性 IP 地址。

當您將裝置連線到 WiFi 時，路由器會為您分配一個本地 IP ，而您的全域性 IP 地址則與路由器的相同。

您的所有上網請求，如觀看 Instagram 短片、YouTube 視訊或閱讀本部落格時的請求，都是通過路由器和單一的全域性 IP 地址傳送的。

現在，如果你的路由器晚上不活動，你的網際網路服務提供商（ISP）就會把你的 IP 地址重新分配給想要使用網際網路的人。

如果您仔細想想，就會發現隨著越來越多的裝置連線到網際網路並需要全天候訪問，比如您的語音助手（Alexa Echo Dot、Google Home、Apple Home 等）或您的監控攝像頭，這就成了一個問題。

雖然 CGN 可以提供幫助，但它也帶來了新的問題–網路效能下降、路由複雜以及需要使用者之間直接連線的應用程式的問題。

IPv6 通過龐大的地址空間直接解決了這些問題。由於 IPv6 允許真正的端到端連線，因此不再需要共享。它還具有更高的安全性、更簡單的網路設定以及對移動裝置的更好支援。

IPv4 短缺有多嚴重？

ISP 及其客戶多年來一直在擔心 IPv4 地址短缺的問題，ServerFault 使用者的這篇帖子就是證明。為了利用可用的 IPv4 地址池，網路提供商採取了以下措施：

1. 網際網路服務提供商在城市之間反覆調整 IPv4 地址塊，這將導致短暫的中斷，並使客戶的連線重置。
2. 為了節省地址，DHCP 租約時間從幾天縮短到幾分鐘。這意味著，如果你的路由器在幾分鐘內沒有活動，ISP 就會把你的 IP 分配給別人。
3. 在客戶自備裝置（CPE）上啟用 NAT，即使是那些因為沒有 IP 而選擇退出的客戶也不例外。
4. 使用 MAC 地址限制，限制可同時連線到網路的裝置數量。
5. 為以前擁有實際 IP 地址的客戶部署運營商級 NAT（CGN）。

問題出在哪裡？這些措施降低了 ISP 客戶的服務質量。

IPv4 地址空間的碎片化還導致了管理開銷、成本增加，甚至由於主幹路由器上內容可定址記憶體（CAM）容量的限制而造成中斷。

雖然 NAT 是解決 IPv4 地址短缺的臨時辦法，但它的作用越來越小。

網際網路服務提供商已經擁有多層 NAT，這導致連線可靠性降低，網路問題變得極難識別和除錯。

IPv4與IPv6有什麼區別？

現在，讓我們瞭解一下IPv4與IPv6之間的區別。

最明顯的區別，也是最適用於普通人的，是格式的區別：

• IPv4使用32位地址
• IPv6使用128地址

在不涉及數學的情況下（我們將把它留到下一節）​​，這意味著IPv6提供的地址是IPv4的1,028倍，這基本上解決了“地址用盡”問題（至少在可預見的將來）。

IPv6也是用冒號分隔的字母數字地址，而IPv4只是數字並用句點分隔。同樣，這是每個示例：

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

IPv4與IPv6之間也存在一些技術差異，儘管非開發人員並不真正需要了解它們。一些最顯著的技術差異是：

• IPv6包括內建的服務質量 (QoS)。
• IPv6具有內建的網路安全層 (IPsec)。
• IPv6消除了網路地址轉換 (NAT) 並允許在IP層實現端到端連線。
• 多播是IPv6中基本規範的一部分，而在IPv4中是可選的。多播允許在一次操作中將資料包傳輸到多個目的地。
• IPv6具有更大的資料包標頭（大約是IPv4的兩倍）。

速度

一般來說，IPv4與IPv6的速度之間沒有重大差異，儘管一些證據確實表明IPv6在某些情況下可能會稍快一些。

在“無差異”方面，Sucuri在同時支援IPv4和IPv6的站點上進行了一系列測試，發現在他們測試的大多數站點上基本沒有差異。

但是，您也可以找到一些證據表明IPv6更快。例如，Facebook的工程部落格指出“我們觀察到通過IPv6訪問Facebook的速度要快10-15%”。

同樣，Akamai在iPhone/行動網路上測試了單個URL，發現該站點的平均載入時間在使用IPv6時比使用IPv4快5%。

但是，變數很多，因此如果不進行嚴格控制的實驗，就很難比較效能。

IPv6可能更快的一個原因是它不會在網路地址轉換 (NAT) 上浪費時間。但是，IPv6也有更大的資料包標頭，因此在某些用例中可能會更慢。

受歡迎程度

儘管隨著IPv6採用率的增加，這些數字正在發生變化，但IPv4仍然是使用最廣泛的Internet協議。

全球採用IPv6

Google維護世界各國Google使用者IPv6可用性的公開統計資料。這些數字是通過IPv6而不是IPv4訪問Google網站的所有流量的百分比。

在全球範圍內，IPv6的可用性約為32%，但各國之間的差異很大。例如，美國的IPv6採用率超過41%，而英國的採用率約為30%，西班牙的採用率僅為2.5%。

每個國家/地區的IPv6採用率

可用地址數量

正如我們上面提到的，IPv6支援的IP地址是IPv4的1,028倍。

IPv4支援大約42.9億個地址。

另一方面，IPv6支援……嗯，編寫它的最簡單方法是2^128個不同的地址。如果您對確切數字感興趣，以下是IPv6提供的唯一地址數量：340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456

這意味著在我們用完IPv6地址之前，我們還有很長的路要走！

IPv4 使用 32 位地址，而 IPv6 使用 128 位地址。這一差異對可用地址的數量有很大影響：

IPv6 更大的地址空間消除了對 NAT 的需求。有了 IPv6，每臺裝置都能獲得自己唯一的全域性可路由地址，從而簡化了網路配置並允許直接連線。

從這個角度來看，如果我們試圖為地球上的 80 億人每人分配一個 IPv4 地址，我們的 IPv4 地址就會用完。

然而，我們需要為地球上的每個人分配 47 千秭（4.7乘以10的28次方）個地址才能用完 IPv6。

資料包報頭結構

IPv4 和 IPv6 資料包就像在網際網路上傳輸資料的信封。

就像信封一樣，它們也有一個包含重要傳輸資訊的報頭。不過，IPv4 和 IPv6 有不同的報頭設計：

IPv4 報頭就像大小可變的信封。它們有 12 個資訊欄位和一個校驗和，有助於確保內容未被篡改。

IPv4 還允許傳送方和郵局（路由器）在需要時將大資料包分解成小塊。

另一方面，IPv6 報頭就像大小固定的標準化信封。它們只有八個資訊欄位，沒有校驗和。IPv6 只允許傳送方分解大資料包，不允許郵局（路由器）分解大資料包。

這種簡化的結構具有以下優勢：

• 處理速度更快：由於欄位較少且大小固定，郵局可以更快地分類和傳送 IPv6 資料包，從而減少延遲並提高整體網路速度。
• 轉發效率更高：由於 IPv6 沒有校驗和，路由器無需在每一站驗證封印，從而加快了遞送過程。此外，由於資料包只能由傳送方分解，路由器只需轉發即可。
• 更好地支援附加功能 ：IPv6 有特殊的報頭，可以附加到主封套上，從而有效地新增新功能，如安全性、移動性和優先順序處理。

安全

IPv6 必須使用IPsec，這是一套加密、驗證和保護 IP 資料包完整性的協議。這確保了 IPv6 流量的安全性，降低了窺探和資料篡改的風險。

IPv6 還包括隱私擴充套件，可讓裝置生成隨機地址，使攻擊者在不同網路中追蹤單個裝置時更具挑戰性。

與 IPv4 相比，IPv6 的強制 IPsec 支援具有以下優勢：

• 保密性：IPsec 對 IP 資料包中的資料進行加密，防止未經授權的訪問。
• 提高完整性：IPsec 的資料完整性檢查可防止篡改，確保資料完好無損地到達目的地。
• 強大的身份驗證功能：IPsec 實現了傳送方和接收方之間的相互驗證，可驗證雙方身份並阻止欺騙攻擊。

IPv6 的隱私擴充套件還解決了無狀態地址自動配置（SLAAC）的潛在問題。

裝置在連線網路時，可使用其 MAC 地址建立 IPv6 地址。但是，由於 MAC 地址不會自動更改，因此裝置可以在不同網路中被跟蹤。

隱私擴充套件解決了這一問題，它讓裝置生成周期性變化的隨機 IPv6 地址，從而使裝置更難被追蹤，並提高了使用者隱私保護。

服務質量（QoS）

服務質量（QoS）是一種將某些型別的網際網路流量優先於其他流量的方法。這對於視訊通話或線上遊戲等需要快速、流暢地傳輸資料而不會出現延遲或中斷的情況非常重要。
IPv4 和 IPv6 有不同的 QoS 處理方式：

IPv4 有一個小的“服務型別”欄位，用於確定流量的優先順序，但僅限於 8 位。
IPv6 引入了更大的“流量標籤”欄位，可以更好地對流量進行標記和優先順序排序。
這有助於網路識別重要資料，如視訊通話或遊戲，並提供更好的效能和穩定性，即使在網路擁塞時也是如此。

組播

組播是一種同時向許多裝置傳送資料的方式，對視訊流或線上遊戲等非常有用。IPv4 和 IPv6 處理組播的方式不同。

在 IPv4 中，IANA 在 224.0.0.0/4 範圍內分配了數量有限的組播地址。

IPv6 的這些地址池要大得多，並允許裝置自動為自己分配這些地址。這使得使用組播更容易，比如同時向許多人傳輸視訊流。

IPv6 還擁有特殊的“請求節點”地址，每個裝置都會自動獲得。這些地址可以幫助裝置在網路上相互查詢，避免地址衝突，使網路執行更加順暢。

DNS 支援

域名系統 (DNS) 就像網際網路上的電話簿。它將你在瀏覽器中輸入的網站名稱（如 www.example.com）轉換成計算機用來相互查詢的特定 IP 地址。

IPv4 和 IPv6 在 DNS 支援方面的主要區別包括

1. IPv6 地址儲存在 AAAA 記錄（發音為“quad-A”）中，相當於 IPv4 中的 A 記錄。
2. IPv6 使用 IP6.ARPA 域進行 DNS 反向查詢，而 IPv4 使用 IN-ADDR.ARPA。
3. DNS 伺服器必須擁有 IPv6 地址，才能通過 IPv6 網路訪問。

為了順利切換到 IPv6，DNS 伺服器和程式需要更新，以便同時理解 IPv4 和 IPv6 記錄。這樣，兩類地址就能在轉換過程中協同工作。

物聯網（IoT）中的 IPv6

IPv6 對物聯網（IoT）非常重要，物聯網是指連線到網際網路的各種裝置，如智慧家居小工具和工業裝置。以下是 IPv6 與 IPv4 在物聯網方面的比較：

IPv6 為物聯網帶來了多項優勢：

1. 地址可用性 ：IPv4 的地址數量有限（43 億），而 IPv6 的地址數量龐大（340 澗（3.4×10的38次方））。這意味著 IPv6 可以支援比 IPv4 更多的物聯網裝置。
2. 設定：IPv4 需要手動設定或 DHCP 進行地址分配，而 IPv6 允許裝置自動建立地址（SLAAC）。這使得 IPv6 在設定物聯網裝置時更加簡單。
3. 通訊：與 IPv4 相比，IPv6 具有更好的組播功能，使物聯網裝置與控制器之間的通訊更加高效。
4. 安全：IPv6 內建強制加密（IPsec），為物聯網裝置提供更好的安全性。而 IPv4 預設情況下不具備這種功能。

隨著物聯網裝置數量的增加，IPv6 將變得越來越重要，因為與 IPv4 相比，IPv6 具有更大的地址空間、更簡單的設定、更好的通訊和更高的安全性。

概括

Internet協議 (IP) 有助於在網路中路由資料。為此，每個裝置都分配有一個IP地址。

IPv4是1983年推出的原始版本。但是，其32位格式僅允許約43億個唯一地址，無法滿足現代世界的需求。

為了解決缺少唯一IPv4地址的問題（並進行一些其他技術更改），建立了IPv6。IPv6使用128位地址格式，提供的唯一地址是IPv4的1,028倍。

對於大多數人來說，這就是您需要知道的全部內容——IPv6使用不同的格式並提供比IPv4更多的唯一地址。