IPv6简明指南：从基础概念到实际应用
IPv6简明指南：从基础概念到实际应用
IPv6是下一代互联网协议，相比IPv4具有更大的地址空间和更强的网络功能。本文将从IPv6地址的构成开始，介绍如何快速获取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的一些基础知识，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。
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。
1分钟获得你的首个IPv6地址，及其应用
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。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。