IPv6：IPv4犯的错，为什么要我来弥补

雷锋网 按：本文转载自Linux中国

在过去的十年间，IPv6 本来应该得到很大的发展，但事实上这种好事并没有降临。由此导致了一个结果，那就是大部分人都不了解 IPv6 的一些知识：它是什么，怎么使用，以及，为什么它会存在？

IPv4 和 IPv6 的区别

IPv4 做错了什么？

自从1981年发布了 RFC 791 标准以来我们就一直在使用 IPv4。在那个时候，电脑又大又贵还不多见，而 IPv4 号称能提供40亿条 IP 地址，在当时看来，这个数字好大好大。不幸的是，这么多的 IP 地址并没有被充分利用起来，地址与地址之间存在间隙。举个例子，一家公司可能有254(28-2)条地址，但只使用其中的25条，剩下的229条被空占着，以备将来之需。于是这些空闲着的地址不能服务于真正需要它们的用户，原因就是网络路由规则的限制。最终的结果是在1981年看起来那个好大好大的数字，在2014年看起来变得好小好小。

互联网工程任务组（IETF）在90年代初指出了这个问题，并提供了两套解决方案：无类型域间选路（CIDR）以及私有IP地址。在 CIDR 出现之前，你只能选择三种网络地址长度：24 位 (共16,777,214个可用地址), 20位 (共1,048,574个可用地址)以及16位 (共65,534个可用地址)。CIDR 出现之后，你可以将一个网络再划分成多个子网。

举个例子，如果你需要5个 IP 地址，你的 ISP 会为你提供一个子网，里面的主机地址长度为3位，也就是说你最多能得到6个地址（LCTT：抛开子网的网络号，3位主机地址长度可以表示0～7共8个地址，但第0个和第7个有特殊用途，不能被用户使用，所以你最多能得到6个地址）。这种方法让 ISP 能尽最大效率分配 IP 地址。“私有地址”这套解决方案的效果是，你可以自己创建一个网络，里面的主机可以访问外网的主机，但外网的主机很难访问到你创建的那个网络上的主机，因为你的网络是私有的、别人不可见的。你可以创建一个非常大的网络，因为你可以使用16,777,214个主机地址，并且你可以将这个网络分割成更小的子网，方便自己管理。

也许你现在正在使用私有地址。看看你自己的 IP 地址，如果这个地址在这些范围内：10.0.0.0 – 10.255.255.255、172.16.0.0 – 172.31.255.255或192.168.0.0 – 192.168.255.255，就说明你在使用私有地址。这两套方案有效地将“IP 地址用尽”这个灾难延迟了好长时间，但这毕竟只是权宜之计，现在我们正面临最终的审判。

IPv4 还有另外一个问题，那就是这个协议的消息头长度可变。如果数据的路由通过软件来实现，这个问题还好说。但现在 路由器 功能都是由硬件提供的，处理变长消息头对硬件来说是一件困难的事情。一个大的路由器需要处理来自世界各地的大量数据包，这个时候路由器的负载是非常大的。所以很明显，我们需要固定消息头的长度。

在分配 IP 地址的同时，还有一个问题，因特网是美国人发明的（LCTT：这个万恶的资本主义国家占用了大量 IP 地址）。其他国家只得到了 IP 地址的碎片。我们需要重新定制一个架构，让连续的 IP 地址能在地理位置上集中分布，这样一来路由表可以做的更小（LCTT：想想吧，网速肯定更快）。

还有一个问题，这个问题你听起来可能还不大相信，就是 IPv4 配置起来比较困难，而且还不好改变。你可能不会碰到这个问题，因为你的路由器为你做了这些事情，不用你去操心。但是你的 ISP 对此一直是很头疼的。

下一代因特网需要考虑上述的所有问题。

IPv6 和它的优点

IETF 在1995年12月公布了下一代 IP 地址标准，名字叫 IPv6，为什么不是 IPv5？→_→ 因为某个错误原因，“版本5”这个编号被其他项目用去了。IPv6 的优点如下：

128位地址长度（共有3.402823669×10³⁸个地址）

其架构下的地址在逻辑上聚合

消息头长度固定

支持自动配置和修改你的网络。

我们一项一项地分析这些特点：

地址

人们谈到 IPv6 时，第一件注意到的事情就是它的地址好多好多。为什么要这么多？因为设计者考虑到地址不能被充分利用起来，我们必须提供足够多的地址，让用户去挥霍，从而达到一些特殊目的。所以如果你想架设自己的 IPv6 网络，你的 ISP 可以给你分配拥有64位主机地址长度的网络（可以分配1.844674407×10¹⁹台主机），你想怎么玩就怎么玩。

聚合

有这么多的地址，这些地址可以被稀稀拉拉地分配给主机，从而更高效地路由数据包。算一笔帐啊，你的 ISP 拿到一个80位地址长度的网络空间，其中16位是 ISP 的子网地址，剩下64位分给你作为主机地址。这样一来，你的 ISP 可以分配65,534个子网。

然而，这些地址分配不是一成不变地，如果 ISP 想拥有更多的小子网，完全可以做到（当然，土豪 ISP 可能会要求再来一个80位网络空间）。最高的48位地址是相互独立地，也就是说 ISP 与 ISP 之间虽然可能分到相同地80位网络空间，但是这两个空间是相互隔离的，好处就是一个网络空间里面的地址会聚合在一起。

固定的消息头长度

IPv4 消息头长度可变，但 IPv6 消息头长度被固定为40字节。IPv4 会由于额外的参数导致消息头变长，IPv6 中，如果有额外参数，这些信息会被放到一个紧挨着消息头的地方，不会被路由器处理，当消息到达目的地时，这些额外参数会被软件提取出来。

IPv6 消息头有一个部分叫“flow”，是一个20位伪随机数，用于简化路由器对数据包的路由过程。如果一个数据包存在“flow”，路由器就可以根据这个值作为索引查找路由表，不必慢吞吞地遍历整张路由表来查询路由路径。这个优点使 IPv6 更容易被路由。

自动配置

IPv6 中，当主机开机时，会检查本地网络，看看有没有其他主机使用了自己的 IP 地址。如果地址没有被使用，就接着查询本地的 IPv6 路由器，找到后就向它请求一个 IPv6 地址。然后这台主机就可以连上互联网了 —— 它有自己的 IP 地址，和自己的默认路由器。

如果这台默认路由器宕机，主机就会接着找其他路由器，作为备用路由器。这个功能在 IPv4 协议里实现起来非常困难。同样地，假如路由器想改变自己的地址，自己改掉就好了。主机会自动搜索路由器，并自动更新路由器地址。路由器会同时保存新老地址，直到所有主机都把自己地路由器地址更新成新地址。

IPv6 自动配置还不是一个完整地解决方案。想要有效地使用互联网，一台主机还需要另外的东西：域名服务器、时间同步服务器、或者还需要一台文件服务器。于是 dhcp6 出现了，提供与 dhcp 一样的服务，唯一的区别是 dhcp6 的机器可以在可路由的状态下启动，一个 dhcp 进程可以为大量网络提供服务。

唯一的大问题

如果 IPv6 真的比 IPv4 好那么多，为什么它还没有被广泛使用起来（ Google 在2014年5月份估计 IPv6 的市场占有率为4%）？一个最基本的原因是“先有鸡还是先有蛋”。服务商想让自己的服务器为尽可能多的客户提供服务，这就意味着他们必须部署一个 IPv4地址。

当然，他们可以同时使用 IPv4 和 IPv6 两套地址，但很少有客户会用到 IPv6，并且你还需要对你的软件做一些小修改来适应 IPv6。另外比较头疼的一点是，很多家庭的路由器压根不支持 IPv6。还有就是 ISP 也不愿意支持 IPv6，我问过我的 ISP 这个问题，得到的回答是：只有客户明确指出要部署这个时，他们才会用 IPv6。然后我问了现在有多少人有这个需求，答案是：包括我在内，共有1个。

与这种现实状况呈明显对比的是，所有主流操作系统：Windows、OS X、Linux 都默认支持 IPv6 好多年了。这些操作系统甚至提供软件让 IPv6 的数据包披上 IPv4 的皮来骗过那些会丢弃 IPv6 数据包的主机，从而达到传输数据的目的。

总结

IPv4 已经为我们服务了好长时间。但是它的缺陷会在不远的将来遭遇不可克服的困难。IPv6 通过改变地址分配规则、简化数据包路由过程、简化首次加入网络时的配置过程等策略，可以完美解决这个问题。

问题是，大众在接受和使用 IPv6 的过程中进展缓慢，因为改变代价太大了。好消息是所有操作系统都支持 IPv6，所以当你有一天想做出改变，你的电脑只需要改变一点点东西，就能转到全新的架构体系中去。