IPv4又稱互聯網通信協議第四版，是網際協議開發過程中的第四個修訂版本，也是此協議第一個被廣泛部署的版本。IPv4是互聯網的核心，也是使用最廣泛的網際協議版本。

IPv4使用32位地址，2019年11月26日，全球所有43億個IPv4地址已分配完畢，這意味著沒有更多的IPv4地址可以分配給ISP和其他大型網絡基礎設施提供商。

IPv4最大的問題在于網絡地址資源不足，嚴重制約了互聯網的應用和發展，IPv6的地址長度為128位，是IPv4地址長度的4倍。IPv6的使用，能夠解決網絡地址資源數量的問題。此外，IPv6 在安全性、路由地址、自動配置、移動性和 QoS 方面也增強了一些功能。

IPV4與IPV6之間的區別

什么是 IPv4

IPv4在網絡層工作，負責識別 IP 地址上給出的主機，并相應地在網絡中或在各種網絡之間路由數據包。

目前互聯網大多都使用的是 IPv4 尋址方案。IPv4 地址有 32 位尋址空間，可以連接 2^32 = 43 億臺設備。

IPv4 報頭

• 版本：IPv4 的版本號為 4。
• 報頭長度：顯示報頭的大小。
• DSCP：代表區分服務代碼字段，用于構建數據包。
• 總長度：它表示包頭的大小加上數據包的大小。
• 標識：如果數據包在傳輸期間被分片，則使用該字段為每個分片分配相同的編號以便幫助構建原始數據包。
• 標志：用于表示分片過程。
• 分片偏移：對包含分片的上層數據包的IP包賦予序號。
• TTL：為了避免網絡中出現循環的可能性，在每個數據包的傳輸過程中都設置了TTL值，該值表示數據包可以經過的跳數。每跳TTL值減1，當TTL值為0時，報文將被丟棄。
• 協議：表示它用于傳輸數據的協議。TCP 的協議號為 6，UDP 的協議號為 17。
• 首部檢驗和：該字段用于錯誤檢測。
• 源IP地址：保存源端主機的IP地址。長度為 32 位。
• 目的IP地址：保存目的主機的IP地址。長度為 32 位。

IPv4 尋址模式

(1) 尋址方式分為三種：

單播尋址模式：在這種模式下，發送方只能將 IP 數據包發送到一個目標終端主機。目的主機的 IP 地址包含在報頭的 32 位目的地址 IP 字段中。

廣播尋址模式：在這種模式下，數據包被廣播或發送到網絡中存在的所有主機終端設備。廣播 IP 地址為 255.255.255.255。當接收主機解析這個地址時，所有的數據包都會被接收。

組播尋址模式：此模式是前兩種模式的混合，即發送的數據包既不指向單個主機也不指定段上的所有主機。在該數據包中，目標地址包含一個以224.xxx開頭的特殊地址，可以被多個主機接收。

服務器發送由多個服務器接收的數據包。每個網絡都有一個為代表網絡的網絡號保留的 IP 地址和一個為廣播地址保留的 IP 地址，它代表該網絡中的所有主機。

(2) 分層尋址方案：

32 位 IP 地址包含網絡、子網和與其相連的主機的 IP 地址信息。單個IP地址可以包含有關網絡及其子網絡以及最終主機的信息。

（3） IPv4 私有 IP 地址： 私有IP地址是一段保留的IP地址。只在局域網中使用，在Internet上是不使用的。因此，路由器和交換機等網絡設備在傳輸過程中會丟棄私有IP地址的數據包。

NAT轉換可以把私有IP轉換成公網IP地址，這樣就可以和Internet連接。

（4） IPv4 環回 IP 地址：

地址塊127.0.0.0/8被保留作環回通信用。此范圍中的地址絕不應出現于主機之外，發送至此地址的報文被作為同一虛擬網絡設備上的入站報文（環回），主要用于檢查TCP/IP協議棧是否正確運行和本機對本機的鏈接。

為什么需要IPv6

• IPv4 提供的地址空間只有43億個，目前已經完全耗盡。
• IPv4 不提供安全的傳輸模式。
• IPv4 不支持自動配置功能。
• QoS 功能不達標。

什么是 IPv6

IPv6是互聯網工程任務組（IETF）設計的用于替代IPv4的下一代IP協議，其地址數量號稱可以為全世界的每一粒沙子編上一個地址。IPv6的使用，不僅能解決網絡地址資源數量的問題，而且也解決了多種接入設備連入互聯網的障礙。

IPv6的特點

(1) 地址數量多：設計 IPv6 的主要原因是 IPv4 地址的短缺。IPv6 有128位地址，共支持 2^128 個（接近 3.4*10^38）個地址，足以在未來許多年內連接大量的設備。

(2) 地址自動配置：IPv6主機連接到IPv6網絡時，可以通過ICMPv6消息自動配置自己的地址。這是對DHCP協議的改進和擴展，使得網絡(尤其是局域網)的管理更加方便和快捷。

(3) 組播：IPv6的組播支持以及對流的支持要強于IPv4。 

(4) 更高的安全性：在使用IPv6網絡中，用戶可以對網絡層的數據進行加密并對IP報文進行校驗，這極大地增強了網絡安全。

(5) 路由表更小：IPv6的地址分配一開始就遵循聚類(Aggregation)的原則,這使得路由器能在路由表中用一條記錄(Entry)表示一片子網,大大減小了路由器中路由表的長度,提高了路由器轉發數據包的速度。

(6) 移動性：MIPv6（Mobile IPv6 ）允許移動節點在保持現有連接的同時任意改變其在IP網絡中的位置。

 MIPv6實現了完整的IP層的移動性。特別是面對移動終端數量劇增，只有MIPv6才能為每個設備分配一個永久的全球IP地址。由于MIPv6很容易擴展、有能力處理大規模移動性的要求，所以它將能解決全球范圍的網絡和各種接入技術之間的移動性問題。

(7) 服務質量(QoS)提高：服務質量是多種因素的綜合問題。從協議的角度來看，移動IPv6的頭標增加了一個流標記域，20位長的流標記域使得任何網絡的中間點都能夠確定并區別對待某個IP地址的數據流。 

IPv6 報頭

IPv6 標頭為 40 字節，由以下字段組成： 

• 版本：表示協議版本，值為6。
• 流量等級：8 位，表示用于路由報文使用的服務類型。
• 流標簽：20位。用來標識同一個流里面的報文。該字段在實時流媒體傳輸中非常有用。
• 載荷長度：16 位。表明該IPv6包頭部后包含的字節數，包含擴展頭部。
• 下一報頭：8 位，該字段用來指明報頭后接的報文頭部的類型，若存在擴展頭，表示第一個擴展頭的類型，否則表示其上層協議的類型，它是IPv6各種功能的核心實現方法。
• 跳數限制：8 位，用于禁止數據包在系統中無限循環。這與 IPv4 標頭中的 TTL 類似。在每一跳，跳數限制的值降為 1，當它達到 0 時，數據包將被丟棄。
• 源地址：128位，表示網絡源主機的地址。
• 目的地址：也是128位，表示網絡數據包的接收主機地址。

擴展頭部：IPv6報文中不再有“選項”字段，而是通過“下一報頭”字段配合IPv6擴展報頭來實現選項的功能。使用擴展頭時，將在IPv6報文下一報頭字段表明首個擴展報頭的類型，再根據該類型對擴展報頭進行讀取與處理。每個擴展報頭同樣包含下一報頭字段，若接下來有其他擴展報頭，即在該字段中繼續標明接下來的擴展報頭的類型，從而達到添加連續多個擴展報頭的目的。在最后一個擴展報頭的下一報頭字段中，則標明該報文上層協議的類型，用以讀取上層協議數據。

IPv6 尋址模式

IPv6協議主要定義了三種尋址模式：單播尋址模式、組播尋址模式和任播尋址模式。與原來在IPv4相比，IPv6 引入了一種新的尋址方式，稱為任播尋址。

 在這種尋址模式下，多個接口（主機）被分配了相同的任播 IP 地址。當主機希望與配備任播 IP 地址的主機通信時，它會發送單播消息。在復雜的路由機制的幫助下，單播消息被傳遞到在路由成本方面最接近發送方的主機。

地址結構

IPv6的地址長度為128位，采用十六進制表示。 

例如：3C0B:0000:2667:BC2F:0000:0000:4669:AB4D 

全球單播地址：

等同于IPv4中的公網地址，可以在IPv6 Internet上進行全局路由和訪問。這種地址類型允許路由前綴的聚合，從而限制了全球路由表項的數量。

 鏈路本地地址和唯一本地地址都屬于本地單播地址，在IPv6中，本地單播地址就是指本地網絡使用的單播地址，也就是IPV4地址中局域網專用地址。每個接口上至少要有一個鏈路本地單播地址。

鏈路本地地址（FE80::/10）： 僅用于單個鏈路（鏈路層不能跨VLAN），不能在不同子網中路由。結點使用鏈路本地地址與同一個鏈路上的相鄰結點進行通信。例如，在沒有路由器的單鏈路IPv6網絡上，主機使用鏈路本地地址與該鏈路上的其他主機進行通信。 

結構如下圖所示： 

唯一本地地址： 唯一本地地址是本地全局的，它應用于本地通信，但不通過Internet路由，將其范圍限制為組織的邊界。 地址規格如下圖所示：

IPv6 地址的范圍：

IPv6 應用實例

示例 1： 

印度鐵路的物流和供應鏈：印度鐵路是印度最大的物流和供應鏈網絡的例子，因為它每天運送數以百萬計的貨物和包裹，這些貨物和包裹會穿越該國的幾個邦。

由于IPv4的地址已經耗盡，使用 IPv4 構建不斷擴張的供應鏈變得困難。IPv6 的大地址空間和自動配置功能有助于跟蹤系統中的貨車和包裹的狀態。借助此功能，最終用戶還可以跟蹤其商品的狀態。

 物流數據庫可以通過在線系統進行維護，24*7全天候監控，從而有助于減少延遲交貨和被盜或丟失貨物的情況。

 示例 2：

 智能交通系統：印度一直在努力管理各個城市的交通系統，大城市的情況更糟。為了克服這個問題，我們需要對交通系統進行實時監控和管理，尤其是公共汽車、校車、救護車和消防隊等公共服務車輛。

 IPv6提供了ITS實現所需要的移動IPv6、大地址空間和增強的安全模型等特性。救護車、校車和消防隊可以配備生物傳感器、無線電話和攝像機，讓定位和監控這些車輛變得容易，對于最終用戶來說，也可以很容易地訪問它們并使用它們。

 IPv6平臺通過在交通高峰期調測各種傳感器和監控軟件，實現對交通狀況的實時監控和管理，提供實時的交通狀況視圖。

結論

在互聯網誕生之初，IPv4 被廣泛使用，但由于全球聯網的設備越來越多，地址空間已經耗盡。因此，具有無限地址能力并具有自動配置、移動性等高級特性的IPv6技術應運而生。 

盡管從IPv4過渡到IPv6并不是很容易，大部分組織也仍在使用IPv4技術，但隨著5G、工業互聯網等新技術的持續演進，萬物互聯已成為未來網絡發展的主要方向，IPv6網絡應用的優勢更多體現在工業互聯網及智能家居領域，IPv6與工業互聯網、物聯網、云計算、大數據、人工智能等融合應用將成為未來信息社會的基石。