IPv4耗盡已成事實，IPv6的未來已來！

IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)層所使用的協(xié)議，我們應(yīng)用最多是IPv4(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本4)，自20世紀(jì)80年代初以來，IPv4就始終伴隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展而發(fā)展。到目前為止，IPv4運行良好、穩(wěn)定，但是IPv4協(xié)議設(shè)計之初是為千萬級計算機組網(wǎng)設(shè)計的，隨之著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展我們發(fā)現(xiàn)IPv4已經(jīng)不足以支撐現(xiàn)今的發(fā)展規(guī)模。

IPv4已耗盡

實踐證明IPv4是一個非常成功的協(xié)議，它經(jīng)受住了Internet從最初數(shù)目很少的計算機發(fā)展到目前上億計算機互聯(lián)的考驗。但是IPv4也不是十全十美的，目前已經(jīng)暴露出以下問題：

一、IP地址枯竭

在IPv4中，32位的地址結(jié)構(gòu)提供了大約43億個地址，其中有12%的D類和E類地址不能作為全球唯一單播地址被分配使用，還有2%是不能使用的特殊地址。

截至到2007年4月，整個IPv4地址空間還剩余18%沒有被IANA所分配;到2009年11月，只剩余6%沒有被分配;2012年頂級IPv4地址耗盡;2019年11月25日歐洲網(wǎng)絡(luò)信息中心從可用池進行最后的/22 IPv4分配，表示區(qū)域性IPv4地址庫存也已耗盡，全球所有約43億個IP地址都已分配完畢，意味著沒有更多的IPv4可分配給互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商和其他大型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供商。

二、Internet骨干路由器路由表容量壓力過大

在Internet發(fā)展初期，IPv4地址結(jié)構(gòu)被設(shè)計成一種扁平的結(jié)構(gòu)，人們沒有考慮到地址規(guī)劃的層次結(jié)構(gòu)性，以及地址塊的可聚合性，使得Internet骨干路由器不得不維護非常大的BGP路由表，在CIDR技術(shù)出現(xiàn)之后，IPv4網(wǎng)絡(luò)號規(guī)劃與分配才有了一定的層次結(jié)構(gòu)性，但是CIDR不能解決歷史遺留的問題，截至到2009年11月，Internet骨干路由器上的BGP路由表條目已超過30多萬條，給骨干路由器造成了非常大的壓力。

三、NAT技術(shù)破壞了端到端應(yīng)用模型

由于IPv4地址緊缺，NAT技術(shù)得到的普遍的應(yīng)用，NAT通過建立大量私有地址對小量公網(wǎng)地址的映射，從而能使使用了私有地址的用戶訪問Internet，但是NAT存在以下問題：

1、NAT破壞了IP的端到端模型

2、NAT會影響網(wǎng)絡(luò)的性能

3、NAT阻止了端到端的網(wǎng)絡(luò)安全

四、地址配置與使用不夠簡便

通過IPv4技術(shù)訪問Internet時，必須首先給PC或終端的網(wǎng)絡(luò)接口卡手動配置IP地址，或者使用有狀態(tài)的自動配置技術(shù)，如DHCP來獲取地址。手動配置IP地址要求使用者懂得一定的計算機網(wǎng)絡(luò)知識，隨著越來越多的計算機和設(shè)備需要經(jīng)常移動、連接不同網(wǎng)絡(luò)，用戶配置IP地址的工作量和難度增加了。在使用DHCP配置時，會增加對DHCP服務(wù)器管理的額外任務(wù)。

五、IP協(xié)議本身的安全性不足

用戶在訪問Internet資源時，很多私人信息是需要受到保護的，如收發(fā)E-mail或者訪問網(wǎng)上銀行等。IPv4協(xié)議本身并沒有提供這種安全技術(shù)，需要使用額外的安全技術(shù)如IPSec、SSL等來提供這種保障。

六、Qos功能難以滿足現(xiàn)實需求

大量業(yè)務(wù)在使用網(wǎng)絡(luò)時，對網(wǎng)絡(luò)在時延、抖動、帶寬、差錯率等方面提供一定的服務(wù)質(zhì)量保障。IPv4協(xié)議在設(shè)計時已經(jīng)考慮到了對數(shù)據(jù)流提供一定的服務(wù)質(zhì)量，但是由于IPv4本身的一些缺陷，如IPv4地址層次結(jié)構(gòu)不合理、路由不易聚合、路由選擇效率不高、IPv4報頭不固定等，使用節(jié)點難以通過硬件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流識別，從而使得IPv4無法提供很好的服務(wù)質(zhì)量。

IPv6正崛起

IPv4的局限性使人們認識到，需要設(shè)計一個新的協(xié)議來替代目前的IPv4，并且這個協(xié)議不是僅僅加大了地址空間而已，早在20世紀(jì)90年代初期，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組IETF就進行了征求新IP協(xié)議的呼吁，并公布了以下新協(xié)議需要實現(xiàn)的主要目標(biāo)：

1、支持幾乎無限大的地址空間

2、減少路由表的大小，使路由器能更快地處理數(shù)據(jù)報文

3、提供更好的安全性，實現(xiàn)IP級的安全

4、支持多種服務(wù)類型，并支持組播

5、支持自動地址配置，允許主機不更改地址實現(xiàn)異地漫游

6、允許新、舊協(xié)議共存一段時間

7、協(xié)議必須支持可移動主機和網(wǎng)絡(luò)

IETF提出了IPng的設(shè)計原則以后，出現(xiàn)許多針對IPng的提案，其中包括一種稱為SIPP(Simple IP Plus)的提案,SIPP去掉了IPv4報頭中一些字段，使報頭變小，并且采用64位地址，與IPv4將選項作為IP頭的基本組成部分不同，SIPP把IP選項與報頭進行了隔離，選項被放在報頭后的數(shù)據(jù)報文中，且處于傳輸層協(xié)議頭之前。使用這種方法后，路由器只有在必要的時候才對選項進行處理，這樣就提高了對所有數(shù)據(jù)進行處理的能力。

1994年7月，IETF決定以SIPP作用IPng的基礎(chǔ)，同時把地址數(shù)由64位增加到128位，新的IP協(xié)議稱為IPv6(Internet Protocol Version 6 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議版本6)。【推薦了解傳智播客linux云計算+運維開發(fā)課程】

IPv6新特性

一、巨大的地址空間

IPv6有128位長度，意味著可以提供3.4 x 10 ^38個地址，有一種夸張的說法：地球上每一粒沙子都可以獲取一個IPv6地址，雖然說法有些夸張，但是IPv6地址確實數(shù)量龐大。

二、數(shù)據(jù)報文處理效率提高

IPv6協(xié)議報文頭部使用新的格式，盡管IPv6的數(shù)據(jù)報頭更大，但是其格式比IPv4要更簡潔，在路由時，不需要路由器去處理一堆不必要信息。

三、良好的擴展性

因為IPv6基本報頭之后添加了擴展報頭，IPv6可以很方便地實現(xiàn)功能擴展。

四、路由選擇效率提高

考慮到IPv4全球單播地址扁平結(jié)構(gòu)給路由器帶來的路由表容量壓力問題，IPv6充足的選址空間與網(wǎng)絡(luò)前綴使大量的連續(xù)的地址塊可以用來分配給互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商和其他組織。這使ISP或企業(yè)組織能夠?qū)⑵渌锌蛻舻木W(wǎng)絡(luò)前綴并入一個單獨前綴，并將此前綴通告到IPv6互聯(lián)網(wǎng)。在IPv6地址空間內(nèi)，多層地址劃分體系的實施提高了路由選擇的效率與可擴展性，縮小了Internet路由器必須儲存與維護的路由表的大小。

五、支持自動配置與即插即用

隨著移動業(yè)務(wù)的發(fā)展，越來越多的設(shè)備需要接入互聯(lián)網(wǎng)，即插即用和地址重新編址的需求變得越來越重要。

在IPv6中，主機支持IPv6地址的無狀態(tài)自動配置，這種自動配置機制是IPv6內(nèi)置的基本功能，IPv6節(jié)點可以根據(jù)本地鏈路上相鄰的IPv6路由器發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)信息，自動配置IPv6地址和默認路由。這種方式不需要人工干預(yù)，不需要架設(shè)DHCP服務(wù)器，簡單易行，使得IPv6節(jié)點的遷移及IPv6地址的增加和更改更加容易，并且顯著降低了網(wǎng)絡(luò)維護成本。

六、更好的服務(wù)質(zhì)量

IPv6設(shè)計的一個目的就是為那些對傳輸時延和抖動有嚴(yán)格要求的實時網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供良好的服務(wù)質(zhì)量保證。IPv6報頭相對簡化，報頭長度固定，這些改進有利于提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的處理效率。

七、內(nèi)置的安全機制

IPv4通過疊加IPSec等安全協(xié)議的解決方案來實現(xiàn)安全，而IPv6將IPSec協(xié)議作為其自身的完整組成部分，從而使IPv6具有內(nèi)在的安全機制。

八、全新的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議

IPv6中的ND(Neighbor Discovery，鄰居發(fā)現(xiàn))協(xié)議包含了一系列機制，用來管理相鄰節(jié)點的交互。ND協(xié)議使用全新的報文結(jié)構(gòu)及報文交互流程，實現(xiàn)并優(yōu)化了IPv4中的地址解析、ICMP路由器發(fā)現(xiàn)、ICMP重定向等功能，同時還提供了無狀態(tài)地址自動配置功能。

九、增強對移動IP的支持

在IETF定義的移動IP中，移動設(shè)備不必脫離其現(xiàn)有連接即可自動移動，這是一種日益重要的網(wǎng)絡(luò)功能。

IPv6在中國

2017年11月26日，中共中央辦公廳、國務(wù)院辦公廳印發(fā)《推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版(IPv6)規(guī)模部署行動計劃》。

2018年6月，國內(nèi)三大網(wǎng)絡(luò)運營商聯(lián)合阿里云宣布，將全面對外提供IPv6服務(wù)，并計劃在2025年前助推中國互聯(lián)網(wǎng)真正實現(xiàn)。

2019年4月16日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《關(guān)于開展2019年IPv6網(wǎng)絡(luò)就緒專項行動的通知》，計劃于2019年末完成13個互聯(lián)網(wǎng)骨干直聯(lián)點IPv6的改造。

以上我們介紹了在IPv4耗盡的現(xiàn)狀，及IPv6崛起的事實，歡迎大家補充及提出您的見解，如需要預(yù)約IPv6相關(guān)課程，傳智播客。