Jack Jiang

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本文同时发布于“即时通讯技术圈”公众号,链接是:https://mp.weixin.qq.com/s/cS5xB2DrjF52rmz6EGVJ6A

本文参考了公众号鲜枣课堂的“IPv6,到底是什么?”一文的部分内容,感谢原作者。

1、引言

现在IPv6的技术应用已经越来越普及了,很多应用都开始支持IPv6。

 

▲ 去年开始,支付宝的官网上就已出现“支持IPv6”标识

对于即时通讯技术(尤其是IM应用)的开发者来说,新产品上架苹果的App Store因IPv6问题被拒的情况,很常见。每次也都能根据网上的资料一一解决,并顺利通过审核。

然而几次下来,到底什么是IPv6,还是有点云里雾里。

那么,IP协议在TCP/IP体系中到底有多重要?看看下图便知(原因清晰版:从此处进入下载)。

 

▲ 红圈处就是IP协议,它几乎是整个TCP/IP协议簇的支撑(图引用自《计算机网络通讯协议关系图》)

总之,IP协议在TCP/IP体系中,是非常重要的一环(可以认为,没它,也就没有了互联网),作为IPv4的下一代协议,了解IPv6非常有必要。而作为即时通讯开发者来说,了解IPv6就显的尤为迫切,说不定某天你的IM就会因为IPv6问题而导致无法通信的局面出现。

本文将用浅显易懂的文字,带你了解到底什么是IPv6。

(本文同步发布于:http://www.52im.net/thread-2979-1-1.html

2、系列文章

本文是系列文章中的第11篇,本系列文章的大纲如下:

网络编程懒人入门(一):快速理解网络通信协议(上篇)

网络编程懒人入门(二):快速理解网络通信协议(下篇)

网络编程懒人入门(三):快速理解TCP协议一篇就够

网络编程懒人入门(四):快速理解TCP和UDP的差异

网络编程懒人入门(五):快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势

网络编程懒人入门(六):史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门

网络编程懒人入门(七):深入浅出,全面理解HTTP协议

网络编程懒人入门(八):手把手教你写基于TCP的Socket长连接

网络编程懒人入门(九):通俗讲解,有了IP地址,为何还要用MAC地址?

网络编程懒人入门(十):一泡尿的时间,快速读懂QUIC协议

网络编程懒人入门(十一):一文读懂什么是IPv6》(本文)

3、复习一下什么是IPv4?

IPv4是Internet Protocol version 4的缩写,中文翻译为互联网通信协议第四版,通常简称为网际协议版本4。

IPv4使用32位(4字节)地址,因此地址空间中只有 4,294,967,296(即2^32) 个地址。

IPv4地址可被写作任何表示一个32位整数值的形式,但为了方便人类阅读和分析,它通常被写作点分十进制的形式,即四个字节被分开用十进制写出,中间用点分隔。

通常IPv4地址的地址格式为 nnn.nnn.nnn.nnn,就像下面这样:

172.16.254.1

下图看起来更清晰一些:

4、IPv6又是什么?

IPv6是Internet Protocol version 6的缩写,中文翻译为互联网通信协议(TCP/IP协议)第6版,通常简称为网际协议版6。IPv6具有比IPv4大得多的编码地址空间,用它来取代IPv4主要是为了解决IPv4地址枯竭问题,同时它也在其他方面对于IPv4有许多改进。

其实,IPv6并不是新技术,从IPv6最早的工作组成立1992年到现在,已过去27年。在互联网技术的发展历程中,IPv6年龄甚至有些太大了。

IPv6的“6”表示的是TCP/IP协议的第六个版本,IPv4的“4”表示的是TCP/IP协议的第四个版本。其实除了这两个版本,当然还有其它版本,TCP/IP协议其实从IPv1开始,到现在IPv10都已经出现了,这些不同版本之间并没有关联,也不是简单IP地址长度的长短。

IPv6地址由八组、每组四位16进制数字组成,每组之间由":"来分隔。

看个简单的例子:

2610:00f8:0c34:67f9:0200:83ff:fe94:4c36,每个“:”前后都是4位16进制的数字,共分隔成8组。

如下图所示: 

 

小知识:如何查看手机或者电脑的网络是否支持IPv6呢?

可以在你手机或者电脑上的浏览器中打开:Ipv6-test.com,就像下图这样: 

5、为什么要使用IPv6?

最主要的原因,就是地址数量不够用了。

IPv4迄今为止已经使用了30多年。最早期的时候,互联网只是设计给美国军方用的,根本没有考虑到它会变得如此庞大,成为全球网络。

尤其是进入21世纪后,随着计算机和智能手机的迅速普及,互联网开始爆发性发展,越来越多的上网设备出现,越来越多的人开始连接互联网。这就意味着,需要越来越多的IP地址。

IPv4的地址总数是2的32次方,也就是约42.9亿个。而全球的网民总数早已超过这个数目。

 

所以说,IPv4地址池接近枯竭,根本无法满足互联网发展的需要。人们迫切需要更高版本的IP协议,更大数量的IP地址池。(有点像固定电话号码升位。)

6、IPv6会带给我们什么?

首先,最重要的一点,就是前面所说的地址池扩容。IPv4的地址池是约42.9亿,IPv6能达到多少呢?

数量如下:

340282366920938463463374607431768211456个…

不用数了,太多了… 简单说,是2的128次方。

这个数量,即使是给地球上每一颗沙子都分配一个IP,也是妥妥够用的。

 

▲ 这图你看懂了吗?嗯,我也没看懂,反正就是很多的样子

这个数量值是怎么得来的呢?还是它的地址位长决定的。

如果以二进制来写,IPv6的地址是128位。不过,这样写显然不太方便(一行都写不下)。所以,通常用十六进制来写,也就缩短成32位(32位会分为8组,每组4位)。 

下面就是一个标准、合法的IPv6地址示例:

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

注意:IPv6的地址是可以简写的,每项数字前导的0可以省略。

例如,下面这个地址:

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

粉红的“0”就可以省略,变成:

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

如果有一组或连续几组都是0,那么可以简写成“::”,也就是:

2001: DB8:2de::e13

注意:一个IPv6地址,只能有一个“::”。

为什么?很简单,你看下面这四个地址,如果所有0全都缩写,会变成什么样?

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,冲突了。所以,这个地址是非法的,不允许存在的。

关于IPv6还有很多技术细节,因篇幅原因,不再赘述。

除了地址数量之外,IPv6还有很多优点,例如:

1)IPv6使用更小的路由表。使得路由器转发数据包的速度更快;

2)IPv6增加了增强的组播支持以及对流的控制,对多媒体应用很有利,对服务质量(QoS)控制也很有利;

3)IPv6加入了对自动配置的支持。这是对DHCP协议的改进和扩展,使得网络(尤其是局域网)的管理更加方便和快捷;

4)IPv6具有更高的安全性。用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验,极大地增强了网络的安全性;

5)IPv6具有更好的扩容能力。如果新的技术或应用需要时,IPV6允许协议进行扩充;

6)IPv6具有更好的头部格式。IPV6使用新的头部格式,就简化和加速了路由选择过程,提高了效率;

……

7、IPv6的优点这么多,为什么之前普及却这么慢?

IPv6优点这么多,为什么它问世已经20年了,还是没有完全替代IPv4呢?这里面的水就很深了。。。说白了,主要还是和利益有关。

7.1 NAT这类技术,让IPv4得以续命

如果按照本世纪初专家们的预测,我们IPv4的地址早已枯竭几万次了。但是,一直挺到现在,大家仍然还在用IPv4,对老百姓来说,并没有因为地址不够而无法上网。

这是为什么呢? 就是因为除了IPv6之外,我们还有一些技术,可以变相地缓解地址不足。

例如NAT(Network Address Translation,网络地址转换)。

NAT是什么意思?当我们在家里或公司上网时,你的电脑肯定有一个类似192.168.0.1的地址,这种地址属于私网地址,不属于公共的互联网地址。

▲ 一个典型的NAT应用场景(图自《IPv6,到底是什么?》)

每一个小的局域网,都会使用一个网段的私网地址,在与外界连接时,再变换成公网地址。这样一来,几十个或几百个电脑,都只需要一个公网地址。

甚至还可以私网套私网,NAT套NAT,一层一层套。这样一来,大大节约了公网IP地址数量。正因为如此,才让我们“续命”到了今天,不至于无法上网。

但是,NAT这种方式也有很多缺点,虽然私网地址访问互联网地址方便,但互联网地址访问私网地址就困难了。很多服务,都会受到限制,你只能通过复杂的设置才能解决,也会影响网络的处理效率。

▲ NAT内网的计算机是不能被外网直接访问的(图自《IPv6,到底是什么?》)

7.2 升级IPv6涉及运营商的利益

物以稀为贵,地址越稀缺,就越值钱。掌握地址的人,就越开心。谁开心?运营商和ISP(互联网服务提供商)。

他们就像是经销商,从上游(互联网域名与号码分配机构,即ICANN)申请到IP地址,再卖给下游用户。稀缺没关系,反正,他一定能赚取更多的差价。

如果大家去找运营商或ISP买带宽,或者租赁云服务,带公共地址的,一定比不带公共地址的贵很多很多。

除了地址可以赚钱之外,如果升级支持IPv6,对运营商和ISP来说,也意味着很大的资金投入。现在新设备基本都是支持的,但毕竟还是有一些老设备,如果在使用寿命到期之前就换,就是亏钱。

所以,运营商和ISP都没有动力去启用IPv6。 

至于设备商或手机电脑厂商,出于提前考虑,早已普遍支持了IPv6,意见并不是很大,也决定不了什么。必竟,提供基础设施服务的运营商们更强势。

8、IPv6未来会怎样

随着5G时代的到来,有了IPv6的加持,万物互联或许会成为现实。对于我等实时通信类软件的开发人员来说,某些场景下,或许再也不需要为“P2P打洞”这种事情烦恼了。 

▲ 5G+IPv6,万物互联不是梦

未来已来,你准备好了吗?

9、参考资料

[1] IPv6入门教程

[2] IPv6,到底是什么?

[3] 关于IPv6的发展史!IPv6的秘密史!

[4] 科普:一文读懂IPv6是什么?

[5] 漫话:全球IPv4地址正式耗尽?到底什么是IPv4和IPv6?

附录:更多网络编程基础知识文章

TCP/IP详解 - 第11章·UDP:用户数据报协议

TCP/IP详解 - 第17章·TCP:传输控制协议

TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止

TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传

技术往事:改变世界的TCP/IP协议(珍贵多图、手机慎点)

通俗易懂-深入理解TCP协议(上):理论基础

通俗易懂-深入理解TCP协议(下):RTT、滑动窗口、拥塞处理

理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解

理论联系实际:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程

计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)

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P2P技术详解(一):NAT详解——详细原理、P2P简介

P2P技术详解(二):P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解(基本原理篇)

P2P技术详解(三):P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解(进阶分析篇)

P2P技术详解(四):P2P技术之STUN、TURN、ICE详解

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