IPv6 简明指南：从地址构成到实际应用
IPv6 简明指南：从地址构成到实际应用
IPv6是互联网协议的下一代版本，它解决了IPv4地址空间不足的问题，为每个设备提供了唯一的全球IP地址。本文将从IPv6地址的构成开始，介绍如何获取IPv6地址及其应用场景，帮助读者全面了解IPv6的基础知识。
从 IPv6 地址构成开始理解
概览
本文档主要讲解 IPv6 的一些皮毛知识，对家用来说，已经足够了。为了让更多普通中文用户看懂，我们将尽可能使用中文来解释某些专用名词，并隐藏一些的技术细节。阅读本文档大约耗时 10 分钟。主要内容：理解 IPv6 地址的一些概念，诸如前缀，子网，接口。如果您具备一定关于 IPv4 的网络知识，那么相信您阅读本文档将能更快理解 IPv6。
IPv6 带来了什么
如果把 IPv6 和 IPv4 做个类比，那您可以这样理解：IPv4 就相当于功能机时代，而 IPv6 就相当于进入了智能手机的时代。在功能机时代，大家相互联系一般靠手机号码，而智能手机的时代，二维码大行其道，我们有非常多的办法保持相互的联系，不再依赖手机号码。IPv6 大抵如此，您一定听说过，IPv6 的地址空间足够给地球上的每粒沙子都分配一个 IPv6 地址。这正是它对于普通用户的最大意义。
IPv6 地址的结构
IPv6 地址的完整结构是这样的：
0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
它是一个 128 位（bit）长度的数据。在书写时，由 8 段 16 进制组成的数字加上一个冒号组成。第一次接触 IPv6 地址会有一点奇怪，因为 IPv4 地址是 32 位（bit）的数据，以每 8 位加一个点隔离开，因此它通常是以 10 进制来表示，比如 1.2.4.8。但是 IPv6 地址是 16 进制的，所以如果以 10 进制来表示会非常长，没有人会那么做。
没关系，很快就会习惯。
看着如此长的 IPv6 地址，确实有理由相信 IPv6 可以给每一粒沙子分配一个地址。不过，这么长的 IPv6 地址，在实际传输时，可能会占用更多的带宽。为了解决这个问题，IPv6 地址的结构可以被缩短。
让我们来看看 Youtube 的 IPv6 地址：
2404:6800:4004:801::200e
这个 Youtube 的 IPv6 地址明显比开头的更短！因为这个地址已经被缩短了，如果要把它扩展为完整的 IPv6 地址，那么应该是这样：
2404:6800:4004:0801:0000:0000:0000:200e
一个 IPv6 地址中间可能包含很长的一段 0，可以把连续的一段0压缩为 ::。但为保证地址解析的唯一性，地址中 :: 只能出现一次。另外，每个冒号之间的数据，如果前面是 0，那么可以省略，比如 :801: 的完整表示是 :0801:。当全部是 0 时，则可以只用一个 0 表示，比如 :0000: 可以表示位 :0:。
前缀
IPv6 地址很长，可以存储很多部分，为了方便规划功能，设计者将 IPv6 地址划分成了两个部分，分别是前缀和后缀。现在我们先来看看前缀。
IPv6 地址的前缀是前 48 位（也就是前 3 段）的部分，拿 Youtube 的 IPv6 地址来说，前缀就是 2404:6800:4004。
前缀的功能是用来区分不同的网络，比如网络 A 和网络 B，网络 A 的前缀是 2404:6800:4004，网络 B 的前缀是 2404:6800:4005。通常这是运营商网络负责的领域。
另外，前缀也称为站点前缀，它有点像是 IPv4 时代的公网 IP 地址，尽管这么比喻并不恰当。为什么这么说呢，由于 IPv4 只有 32 位，所以 IP 数据包中用于标记 IP 地址预留的空间到此处 2404:6800 就已经用完了，没有更多的空间用于标记到具体设备。这一问题在 IPv6 中不再存在，因为 IPv6 预留了更多的空间。
子网
前缀之后的那一段 16 位的数据，用于标记子网 ID。子网 ID 通常是您家庭网络的部分（家庭网络的 ID 号，如果以此为界最多可以分配 65535 个家庭使用）。
在 IPv4 的时代，这就是您家庭路由器的网络的部分，通常已经进入到了 NAT 的部分，您家中的其它网络设备都只能在一个公共的 IP 下活动，可悲的是这个公共的 IP 可能还不是公网 IP，可能只是运营商内部的内网 IP。
NAT 的缺点这里就不多谈了，大家应该深有体会。在 IPv4 时代，受限于协议这是无法避免的问题，而在 IPv6 的年代，就不存在这个问题了。毕竟每个设备都能分到唯一的公网 IP 地址。
接口
整个 IPv6 地址的长度一共 128 位，前 64 位通常用于 IPv6 地址的前缀和子网，而后 64 位则通常作为接口。通俗的讲，这用于标记到底是哪个设备，比如您的家庭网络的路由器，还是您的手机，又或者是电脑。
总结
一张图来总结 IPv6 地址的常规套路。
总的来说， IPv6 的地址大概就是，把 IPv4 时代 IP + 家庭局域网专用子网 + 设备MAC 全部揉到一起，以便于一次性全部传输完。
可以理解到， IPv6 本质上是 IPv4 的升级版，为了解决地址空间不够的问题，规划了充足的空间。
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获取 IPv6 地址的最有效方式
尽管 IPv6 目前在中国已经大面积铺开应用，不过家用有线宽带部署情况不是很乐观，具体原因下一章节解释。出人意料的，移动蜂窝网络已经基本完成了 IPv6 的部署，因此目前最简单，最快速的获取 IPv6 地址的方式，就是用您的手机开个热点。
当您的电脑连上手机的热点后，您可以在任务管理器（win10以上系统）看到分配到了 IPv6 地址。
在这张图中，笔者的 IPv6 地址是：
240e:414:b00:5af5:dd21:505a:a881:6a7
请同学们根据上节课的内容，分析一下这个 IPv6 地址。 其站点前缀是 240e:414:b00，子网 ID 是 5af5。在后面的则是接口地址 dd21:505a:a881:6a7。
是不是很令人意外，IPv6 就在身边。
IPv6 网络如何运行
上个章节讲到，家用有线宽带的部署情况不是很乐观，这里有一个比较通俗易懂的解释。
如果把网络之间互相连接电路比作高速公路，那么 IPv4 数据包和 IPv6 数据包则分别是小型箱车与大型卡车。
在互联网建设早期，由于只有 IPv4 数据包传输，因此为了支持其数据包的传输，各个网络节点都建设了支持小型箱车的装卸平台（协议支持），这些网络节点可能是路由器，也可能是您的电脑。
但是，IPv6 大卡车来了之后，尽管它可以上路，但是在某些网络节点由于缺乏装卸平台（协议支持），它无法抵达下一个网络节点。
因此，如果要使整个网络都能完整支持 IPv6，情况则变得复杂许多。最大的阻碍在于老旧设备无法通过软件升级去支持 IPv6，只能更换，耗资巨大。家庭网络除了要更换连接各个家庭的汇集设备，还要挨个更新支持 IPv6 协议的猫。如果用户家里还有单独的路由器，则要求这些路由器支持 IPv6。
阻力重重。
在现阶段，最好的办法仍然是 IPv4 网络和 IPv6 网络同时运行，以实现最大兼容。因此运营商目前的策略是旧的线路不管，新线路则支持 IPv6。
IPv6 地址是怎么分配的
思绪回到刚刚到手的 IPv6 地址，现在可以玩了。 赶紧到 ipv6-test.com 测试一下网络能不能用。嗯。看样子是没问题。
这里重点讲一下 SLAAC 这个标签。 在 IPv6 时代，IPv6 地址的分配方式主要是两种：
- 有状态分配。即传统的分配方案，与 IPv4 时代的路由器内网地址类似，这是由路由器生成一个地址给设备，有时间限制。甚至可以理解为动态 IP 地址。
- 无状态分配，通常就是指 SLAAC。SLAAC 是一种很简单好用的配置方式：由于在 IPv6 地址中，前缀和子网都是确定好的，如果路由器支持无状态分配，。通常情况下的分配方式是，系统会使用设备的 MAC 地址（物理地址）来作为其 IPv6 接口的一部分。
IPv6 的应用场景
看样子一切都准备就绪，可以起飞了。更快的 BT 速度，更好的联机体验！
然而。
在稍早前的章节说到，为了保持最佳兼容性，目前现阶段的互联网 IPv6 和 IPv4 这两个网络是同时运行，并且互相连接。因此并不是说有了 IPv6 就万事无忧了。
举个例子：玩 P2P 游戏，虽然您已经连接到了 IPv6 网络，但是如果您的队友在 IPv4 网络，尽管您们通过 IPv4-IPv6 间的桥接转换能勉强互联，但是就又回到了有 NAT 的时代。IPv6 等于没用。
究其原因，首先，在各个系统上运行的应用程序，很多早期开发完成的应用程序并不支持 IPv6，直接的结果就是无法在 IPv6 网络下工作。此外，由于网络架构发生了改变，要支持到 IPv6 ，甚至是需要额外开发专门的模块来支持，比如 Linux 上的防火墙，是单独的一个 ip6tables 在负责管理。似乎一切都变得复杂了很多。
因此就实用性而言，目前 IPv6 的实用性还没办法与 IPv4 对等。作为普通用户，我们期待的是能完全取代 IPv4，不去做任何额外的工作。
希望能等到那天的到来。
总结
同时接入 IPv4 和 IPv6 的感觉就像家里拉了电信联通，以为是双倍的带宽，双倍的快乐。结果，只有一条线路能干活。这种感觉您有过吗。😂。
IPv6 子网
子网是什么
本章节内容会稍微复杂一些，不过我们仍然努力隐藏技术细节，保证普通用户能读懂这些内容。请记住，您不需要了解技术细节。
在过去的年代，如果您要寄送一封信件（物理）给某人，有时候，信使无法直接将信件寄到收件人手上，因为收件地址可能是在某个单位或企业，信件只能抵达门卫处，然后再由其他人转交给您，或者您自己去取。这就是子网。
对于互联网，各个设备都是通过物理链路连接的，数据需要通过层层子网进行传输。
子网
其实无论是 IPv6 还是 IPv4，网络地址的组成都是基本一样的，其原理都是由大至小，呈现出树形结构。用这两张图来帮助理解。
家庭中的各路设备，通过路由器（WiFi 或者电缆）相互连接到一起，形成一个子网。
然后，各路家庭网络再通过光纤或者电缆，连接到电信运营商在每个临近区域部署的路由器上，再形成一个子网。
各个电信运营商的路由器，再相互连接，接入到每个省份的省级运营商的路由器上，再形成一个子网。并同时，与其它运营商（电信，联通，移动，balabala）的路由器相互连接，形成互联网。
圆环套圆环，编织成了现在您正在使用的互联网。
IPv4 与 IPv6 的子网处理方案
如果某个设备的数据需要发送给另外一个设备，那么必需要知道其目的地，也就是目标 IP 地址。它想要收到目标设备的回信，也需要把自己的 IP 地址带上，这样目标设备才能知道给谁回信。
在 IPv4 时代，由于网络地址的规划长度有限，在电子设备日益增长的时代，没有办法给每个设备都分配一个唯一的地址。这就相当于，您想要在信封上填写收件人的地址时，发现写不满。
聪明的工程师发明了一种方式，将有限的空间重新组合，使得这有限的 IPv4 地址得以服务于现阶段全球数以亿计的设备。那就是：网络地址转换和子网掩码。
网络地址转换和子网掩码可以让不具备公网 IP 地址的设备，正常与互联网上的设备通信。即便目标设备也不具备公网 IP 地址。
不过，即便有这两种技术加持，也无法解决日益增长的设备数量对网络地址的需求。因此 IPv6 的应用总算开始推进了。
在 IPv6 中，由于充足的网络地址规划，不再需要网络地址转换和子网掩码。
进阶：IPv4 和 IPv6 的子网
进阶内容不可避免地使用一些专业术语，可选阅读。部分属于在文中如果没有解释，请您自行搜索，对于理解内容来说是必要的。
IPv4
我们都知道 IPv4 的地址长度是 32位，在 IPv4 互联网结构中，会有一个网关，子网掩码，IP 地址三大要素，一起组成了子网。
子网掩码
子网掩码与 IPv4 地址的长度一样，都是32位（很多初学者会混淆，不知其所以然，以为是 IPv4 地址），需要与 IPv4 地址互相组合使用，单独存在时没有意义。它的用途主要是辅助计算子网范围。
简单的说就是一个切糕刀子，在 32 位长度的 IPv4 地址中切一刀，左边是网络号（类似于 IPv6 中的前缀），右边就是子网。
公网下的子网
通过子网掩码，有限的地址空间下，被规划成了多个类型的网络，每个类型的网络都通过子网掩码来确定网络的规模（子网数量和主机数量）。
网络规模越大，主机数量越多，而网络规模越小，主机数量则越少。
总而言之就是挺复杂的，还是别想太多了。
家庭或企业下的子网，以及网络地址转换
由于公网 IPv4 地址有限，无法为每一台设备都提供公网 IPv4 地址，但是通信又需要 IPv4 地址，因此互联网地址管理机构将一部分 IPv4 地址划分出来，作为内部网络的专用地址。这可能会减少了一些可用的公网 IPv4 地址，但是通过网络地址转换技术（NAT），可以支持更多的设备接入到互联网。
比如 192.168.1.1/24 这个子网。这是家庭常用的子网地址范围。一般路由器作为网关占用了 192.168.1.1 这个 IP，其余的 IP 分配给了路由器的网关下的设备。这个子网可以支撑 254 个设备接入到网络。
这种方式虽然暂时解决了 IPv4 地址不够用的问题，但是增加了互联网的复杂度，降低了效率，增加了管理成本，属于治标不治本。
IPv6
有不少用户在初次接触 IPv6 时会有一些不习惯，因为在网络管理配置界面中，您只能看到一个 IPv6 地址（或者还有一个临时 IPv6 地址），没有子网掩码的概念。这并不是说就没有子网了，该切还是要切，只不过不用子网掩码来切，而是用前缀+子网ID来切。IPv6 切割子网用 CIDR 格式来表示，比如 2001:db8::/32。大多数情况下，您的家庭网络一般会分到 /64 或 /56 的子网。这些信息由系统与 IPv6 路由器自动协商管理，您不需要自己去管理。
CIDR（无类别域间路由）
遵循 CIDR 规则的地址在尾部有一个以斜线分割的数字，以表明前缀长度（以位为单位）。
CIDR 有一个很好理解的方法。 比如 2001:1db8::/32 这个子网，就是从前往后数 8 个字符（不包括冒号），之后的地址范围都是属于 2001:1db8:: 下的子网。比如 2001:1db8::1234 是属于 2001:1db8::/32 这个网络下的 IPv6 地址。
由于子网内的每个设备都有了公网 IPv6 地址，不再需要做网络地址转换，大大降低了管理难度。不需要借助任何额外的手段。
总结
简单来说，就是进步和舒适。 在 IPv6 中，很多配置都自动化了，不需要自己管理（对于普通用户来说）。IPv6 很好的解决了 IPv4 的诸多问题，子网也能够更好的支持更多的设备，更好的管理互联网。