IPv4 和 IPv6 之间的差异

互联网协议 (IP) 是跨网络边界发送数据的主要规则集。其主要功能是为设备提供唯一地址，并通过互联网将数据从一个设备路由到另一个设备。

多年来，IP 一直在不断发展，IPv4 是全球部署的第一个主要版本，而 IPv6 是其继任者，旨在解决 IPv4 的局限性。了解这两个版本之间的差异对于网络工程师、IT 专业人员以及参与企业数字化转型的任何人来说都至关重要。

IPv4 和 IPv6 之间的主要区别在于 IPv4 的 32 位寻址，允许大约 43 亿个唯一地址，而 IPv6 使用 128 位方案来支持几乎无限数量的设备，并具有增强的安全性和效率。

IPv4 概述

互联网协议版本 4 (IPv4) 于 1981 年推出，已成为网络环境中数据通信的基石。IPv4 采用 32 位地址方案，允许使用约 43 亿个唯一地址。

虽然在互联网早期这个数字似乎足够了，但连接设备的爆炸式增长很快使得这个地址空间不足，从而导致地址耗尽的可能性。

为什么要发明IPv6方式？

为了克服 IPv4 的局限性，IPv6 于 1999 年推出。IPv6 使用 128 位地址空间，将可能的地址数量显著增加到大约 340 亿亿亿 (3.4 x 10^38)，这对于适应未来全球互联网连接设备的增长来说是一项至关重要的改进。

地址空间的大幅扩展是 IPv6 发展和逐步采用的主要驱动力。

IPv4 和 IPv6 地址大小比较

IPv4 地址长度为 32 位，以十进制表示为四个用点分隔的数字（例如 192.168.1.1）。相比之下，IPv6 地址长度为 128 位，以十六进制表示为八组四个十六进制数字，用冒号分隔（例如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334）。

IPv4 地址空间存在一些在最初并不明显的限制。随着物联网 (IoT) 的出现和日益网络化的世界，IPv4 协议已无法充分寻址每台设备。IPv6 拥有更大的地址空间，允许数十亿台设备拥有唯一的公共 IP 地址，从而无需进行网络地址转换 (NAT)，这是 IPv4 网络中为应对地址耗尽而采用的常见做法。

IPv4 和 IPv6 在报头格式和数据包处理的详细比较

IPv4 报头的长度可变（20-60 字节），并且包含 IPv6 报头中不存在的多个字段。IPv6 报头固定为 40 字节，旨在通过删除不必要的选项并将其放置在可选扩展报头中来简化和加快处理速度。

IPv4 允许发送方和中间路由器对数据包进行分段。这可能会导致效率低下和延迟增加。IPv6 通过仅允许发送方对数据包进行分段来简化此过程，从而减少路由器的负载和复杂性并提高整体网络性能。

IPv4 标头：

• 可变长度：IPv4 报头最简单的是 20 字节，但由于可选字段和选项，可以扩展到 60 字节。
• 字段：它们包括版本、报头长度、服务类型、总长度、标识、标志、片段偏移、生存时间 (TTL)、协议、报头校验和、源地址、目标地址和选项（如果有）等字段。选项的存在会增加报头大小并使报头处理复杂化。
• 碎片化：如果数据包大小超过网络路径的最大传输单元 (MTU)，发送方和中间路由器都可能对数据包进行分段。这可能会导致诸如分段开销之类的问题，并可能增加数据包丢失的可能性。
• 校验和：包含仅涵盖报头的校验和字段。数据包通过时，需要在每个路由器上重新计算此校验和，这会增加处理开销。

IPv6 标头：

• 固定长度：IPv6 报头始终为 40 字节长，采用更简化的方法。
• 字段：它们包含较少的字段：版本、流量类别、流标签、有效负载长度、下一个报头、跳数限制、源地址和目标地址。
• 简化处理：IPv6 报头的固定大小和字段数量减少有利于路由器加快处理速度。选项不包含在报头中，而是使用扩展报头进行处理，这些选项仅由目标节点处理，从而减少了数据包路径上每一跳的处理负载。
• 碎片化：在 IPv6 中，路由器不执行分段。如果数据包超过 MTU，则会被丢弃，并向发送方发送 ICMPv6 数据包太大消息。发送方负责分段。这种方法降低了路由器的复杂性和资源需求。
• 无报头校验和：IPv6 不包含报头校验和。错误检查被委托给传输层，这减少了每一跳的处理负担，从而加快了路由速度。

有关 IPv6 增强功能的附加说明：

• 流标签：IPv6 报头中的流标签字段用于识别属于同一流的数据包，以便进行服务质量 (QoS) 处理，而 IPv4 中没有此功能。此功能对于实时应用程序特别有用。
• 跳数限制：替换生存时间 (TTL) 字段以确定数据包的生存期。转发数据包的每个路由器都会将跃点限制减一。如果跃点限制达到零，则数据包将被丢弃。
• 流量类别：与IPv4中的服务类型类似，该字段用于指定数据包的优先级。

这些从 IPv4 到 IPv6 的增强和变化不仅解决了以前协议版本的限制，而且还提高了日益互联的世界中网络服务的效率和功能。

从 IPv4 到 IPv6 的安全性增强：

IPv4 在设计时并未考虑安全性，因此需要使用其他协议（如 IPsec）来实现安全通信。IPv6 已通过 IPsec 将安全性内置到协议中，IPsec 本身支持加密流量和经过身份验证的通信，因此 IPv6 本质上比 IPv4 更安全。

安全性是 IPv6 与其前身 IPv4 显著区别的一个关键方面。

IPv4 安全概述：

• 初步设计：IPv4 是在互联网尚未像今天这样广泛使用时开发的，安全并不是主要考虑因素。因此，IPv4 缺乏固有的安全功能，因此需要额外的安全措施。
• 对应用程序的依赖：IPv4 网络中的安全性在很大程度上依赖于更高层的协议和应用程序。例如，通过 IPv4 进行安全通信通常需要实施传输层安全性 (TLS) 或安全套接字层 (SSL)。
• IPsec（可选）：IPv4 可以使用 IPsec；但是，它不是强制性的，必须由两个端点明确配置和支持。IPv4 中的 IPsec 可以加密一对主机（主机到主机）、一对安全网关（网关到网关）或安全网关与主机（网关到主机）之间的数据流。

IPv6 安全增强功能：

• 强制 IPsec：与 IPv4 不同，IPv6 本身集成了 IPsec，使其成为强制性协议组件。此要求确保每个 IPv6 设备都可以支持 IPsec，尽管它并不要求在所有通信中使用 IPsec。对 IPsec 的强制性支持为数据机密性、数据完整性和数据来源身份验证提供了强大的选项。
• 端到端加密和身份验证：将 IPsec 集成到 IPv6 中可实现端到端加密和身份验证。这是对 IPv4 的重大改进，因为 IPv4 中的中间设备（如 NAT 设备）可能会阻碍 IPsec 保护流量的能力。使用 IPv6，互联网的端到端原则得以维护，从而增强了安全性和隐私性。
• 简化的标头结构：IPv6 的简化报头结构将非必要字段移至扩展报头，从而简化了中间路由器的数据包处理。此设计最大限度地减少了与报头处理相关的安全漏洞的可能性，并通过限制中间设备可对数据包执行的操作数量来减少攻击面。

附加安全协议：

• 安全邻居发现 (SEND)：IPv6 引入了安全邻居发现协议，这是邻居发现协议 (NDP) 的扩展，对于同一链路上相邻节点之间的交互至关重要。SEND 为 NDP 增加了安全性，这对于防止路由器欺骗和重定向等各种攻击至关重要。SEND 使用加密方法来确保邻居之间交换的消息的合法性。
• 路由器广告安全：IPv6 增强了保护路由器通告的功能，这对于网络上设备的自动配置至关重要。与路由器通告容易受到欺骗的 IPv4 不同，具有 SEND 的 IPv6 可以验证这些消息，从而防止恶意路由器配置。

部署 IPv6 安全性：

• 防火墙和网络安全：过渡到 IPv6 需要更新防火墙配置和其他网络安全工具以处理新协议。IPv6 的数据包结构和寻址不同，需要为其流量量身定制特定规则，以保持与 IPv4 网络的安全性一致。
• 教育和培训：鉴于 IPv6 的复杂性和新功能，IT 专业人员必须接受有关 IPv6 安全功能和最佳实践的最新培训。适当的知识传播可确保网络有效抵御不断演变的威胁。

IPv6 在安全性方面比 IPv4 有了显著改进，这主要归功于对 IPsec 的强制支持和 SEND 等增强功能。这些改进不仅解决了 IPv4 中的安全缺陷，还满足了现代互联网通信隐私和安全性不断提高的需求。

网络配置和管理：从 IPv4 过渡到 IPv6

从 IPv4 过渡到 IPv6 涉及网络配置和管理的多个方面，每个方面在确保平稳切换和增强网络功能方面都发挥着关键作用。

IPv6 不仅解决了 IPv4 在可扩展性和地址空间方面的限制，而且还在网络配置和管理方面带来了重大改进。这些改进减少了管理开销，提高了网络灵活性，并从本质上提高了安全性，使 IPv6 成为未来互联网基础设施发展的坚实基础。

因此，过渡到 IPv6 不仅仅是为了容纳更多设备；它还使网络更易于管理、更安全，并为下一代互联网应用做好准备。

IPv4 网络配置概述：

手动和 DHCP 配置：

• IPv4 要求网络管理员手动配置每台设备的网络设置，或利用动态主机配置协议 (DHCP) 自动分配 IP 地址和其他网络设置。虽然 DHCP 简化了管理，但它仍然依赖于中央服务器来分发 IP 信息，这可能是单点故障。

子网划分和地址管理：

• 复杂子网划分：IPv4 网络通常需要复杂的子网划分方案才能有效利用有限的地址空间。这会增加管理负担，因为管理和优化这些子网通常是手动的，而且容易出错。
• 网络地址转换 (NAT)：由于地址空间有限，IPv4 广泛使用 NAT，允许私有网络上的多个设备共享一个公共 IP 地址。虽然这种方法节省了地址空间，但它使网络管理变得复杂，并阻碍了端到端连接和某些协议。

IPv6 网络配置增强功能：

无状态地址自动配置 (SLAAC)：

• 自动网络配置：IPv6 引入了 SLAAC，允许设备在网络上自动配置，而无需使用 DHCP 等基于服务器的机制。每台设备都可以根据本地路由器公布的网络前缀和自己的硬件 (MAC) 地址生成自己的地址。
• EUI-64 格式：自动配置过程通常采用 EUI-64 格式，其中设备的 48 位 MAC 地址扩展为 64 位，以形成 128 位 IPv6 地址的接口标识符。此方法简化了设备设置和网络集成。

改进的 DHCP（DHCPv6）：

• 可选使用：虽然 SLAAC 提供了一种快速有效的设备寻址方法，但 DHCPv6 仍然适用于需要向客户端推送更详细的配置（例如 DNS 设置、域名和其他网络参数）的场景。
• 状态配置：DHCPv6 可以在状态模式下使用来跟踪地址分配，这对于需要详细的客户端配置和审计的托管网络环境很有帮助。

网络重新配置和重新编号：

• 更简单的 IP 重新分配：IPv6 拥有巨大的地址空间和灵活的架构，使网络重新编号（即更改网络上设备使用的 IP 地址）变得更加容易。借助 IPv6，整个子网可以在干扰最小的情况下重新编号，这主要是因为该协议支持每个接口使用多个地址。

解决复杂性并简化管理：

分层地址分配：

• 结构化寻址：IPv6 支持更分层的 IP 地址结构，可增强互联网路由器的路由聚合并减少路由表的大小。这使全球路由系统更加高效且可扩展。
• 本地寻址：IPv6 还引入了链路本地地址和唯一本地地址，以方便本地通信，通常无需全局地址配置。这对于内部网络配置和服务隔离特别有用。

安全和网络政策：

• 改进的安全配置：通过对 IPsec 的原生支持，IPv6 允许网络管理员直接在 IP 层内实施强大的安全策略，包括加密的网络流量和主机之间的经过身份验证的通信。
• 网络策略执行：在 IP 层嵌入安全性的能力简化了网络安全策略的实施，减少了对上层协议和应用程序级安全措施的依赖。

IPv4 和 IPv6 之间的 17 个区别

特征	IPv4	IPv6
地址长度	32 位	128 位
寻址类型	数字，以点分十进制表示（例如 192.168.1.1）	字母数字，以十六进制表示（例如，2001:0db8::1）
总地址数	约 43 亿	约 3.4 x 10^38
标头字段	12 个可变长度的字段	8 个定长字段
标头长度	20 至 60 字节，可变	40字节，固定
校验和	包括用于错误检查的校验和字段。	无校验和字段；由第 2/3 层技术处理
安全	包含用于错误检查的校验和字段	内置 IPsec，提供原生安全功能
碎片化	由发送方和路由器执行	仅由发送者执行
地址配置	手动配置或 DHCP	无状态地址自动配置 (SLAAC) 或 DHCPv6
广播寻址	使用广播地址	不使用广播，而是使用多播
IP 到 MAC 解析	使用 ARP（地址解析协议）	使用 NDP（邻居发现协议）
移动性	有限支持，需要移动 IP	内置移动功能提供更好的支持
网络地址转换 (NAT)	通过分层寻址提高效率，允许路由聚合	由于地址空间较大，因此不需要
路由效率	由于地址结构扁平且无层次，效率较低	通过分层寻址提高效率，允许路由聚合
子网划分	使用子网划分和 CIDR（无类域间路由）	使用 CIDR；由于地址空间较大，无需进行传统的子网划分
过渡机制	不适用	包括双栈、隧道和转换技术
易于管理	需要仔细管理 IP 地址和子网	由于自动配置和丰富的 IP 地址，简化了管理

结论

IPv6 不仅仅是由于 IPv4 耗尽而成为必需品；它代表着网络设计和性能的重大进步。采用 IPv6 对互联网未来的可扩展性和安全性至关重要。随着我们前进，拥抱 IPv6 对网络世界的所有利益相关者来说都是必不可少的。