IPv4与IPv6的比较及前景分析

IPv4与IPv6的比较及前景分析

因为全球范围内使用的是不同硬件结构、不同操作系统、不同网络系统，为了使这些系统能够自由通信，我们制定TCP／IP协议，在Internet上，每一个节点都依靠惟一的IP地址互相区分和相互联系。

一：IP地址基础知识

Internet每个 IP地址都包含两部分网络ID和主机ID。网络ID标识在同一个物理网络上的所有宿主机，主机ID标识该物理网络上的每一个宿主机，于是整个Internet上的每台计算机都依靠各自惟一的IP地址来标识。IP地址构成了整个Internet的基础，从网络的层次结构考虑，一个IP地址必须指明两点：① 属于哪个网络 ② 是这个网络中的哪台主机 于是，IP地址的格式为：网络号、主机号。

1.IP地址的类型及其表示

目前因特网使用的地址都是IPv4地址，32比特，通常用4个点分十进制数表示，如：202.112.14.1。它主要由两部分组成：一部分是用于标识所属网络的网络地址；另一部分是用于标识给定网络上的某个特定主机的主机地址。为了给不同规模的网络提供必要的灵活性，IP的设计者将IP地址空间划分为几个不同的地址类别，地址类别的划分就针对于不同规模的网络。

A类网：网络号为1个字节，定义最高比特为0，余下7比特为网络号，主机号则有24比特编址。用于超大型的网络，每个网络有16777216(224)台主机(边缘号码如全“0”或全“1”的主机有特殊含义，这里没有考虑)。全世界总共有128(27)个A类网络，早已被瓜分完了。

B类网：网络号为2字节，定义最高比特为10，余下14比特为网络号，主机号则可有16比特编址。B类网是中型规模的网络，总共有16384(214)个网络，每个网络有65536(216)台主机(也忽略边缘号码)。

C类网：网络号为3字节，定义最高三比特为110，余下21比特为网络号，主机号仅有8比特编址。C类地址适用的就是较小规模的网络了，总共有2097152(221)个网络号码，每个网络有256(2台主机(忽略边缘号码)。

D类网：不分网络号和主机号，定义最高四比特为1110，表示一个多播地址，即多目的地传输，可用来识别一组主机。

如何识别一个IP地址的属性？只须从点分法的最左一个十进制数就可以判断其归属。例如，1～126属A类地址，128～191属B类地址，192～223属C类地址，224～239属D类地址。除了以上四类地址外，还有E类地址，但暂未使用。

对于因特网IP地址中有特定的专用地址不作分配：

(1)主机地址全为“0”。不论哪一类网络，主机地址全为“0”表示指向本网，常用在路由表中。

(2)主机地址全为“1”。主机地址全为“1”表示广播地址，向特定的所在网上的所有主机发送数据报。

(3)四字节32比特全为“1”。若IP地址4字节32比特全为“1”，表示仅在本网内进行广播发送。

(4)网络号127。TCP／IP协议规定网络号127不可用于任何网络。其中有一个特别地址：127.0.0.1称之为回送地址(Loopback)，它将信息通过自身的接口发送后返回，可用来测试端口状态。

2.IP地址与路由的关系

为了提高IP地址使用效率及路由效率，在基础的IP地址分类上对IP编址进行了相应改进。

1）.子网编址

一般地，32位的IP地址被分为两部分，即网络号和主机号。为提高IP地址的使用效率，子网编址的思想是将主机号部分进一步划分为子网号和主机号，即这种模式：网络号子网号主机号。

在原来的IP地址模式中，网络号部分就标识一个独立的物理网络引入子网模式后，网络号部分加上子网号才能全局惟一地标识一个物理网络。子网编址使得IP地址具有一定的内部层次结构，这种层次结构便于IP地址分配和管理。它的使用关键在于选择合适的层次结构——如何既能适应各种现实的物理网络规模，又能充分地利用IP地址空间即从何处分隔子网号和主机号　。

2）.子网路由

在子网编址模式下，仅凭地址类别提取地址的网络号和主机号将是不正确的，而必须在路由表的每一个表目中加入子网掩码，于是子网编址模式下的路由表条目变为：｛目的网络地址，子网掩码，下一路由器地址｝，这样可以用子网掩码的设置来区分不同的情况，使路由算法更为简单。子网号的位数是可变的，为了反映有多少位用于子网号，采用子网掩码来区分。二进制表示的掩码是一系列连续的“1”，紧跟着一系列连续的“0”。为“1”的部分代表网络号码，而为“0”的部分代表主机号码。我们以10.0.0.1为例，网络掩码255.0.0.0，这样就把IP地址分成了网络部分10和主机部分0.0.1。于是，每个A、B和C类地址都有一个自然掩码，它是由每类地址的网络和主机部分的确切定义产生的掩码。可以根据掩码和IP地址计算出子网：子网号＝子网掩码与IP地址做逻辑“与”运算的结果。

3）.VLSM可变长子网掩码

VLSM(Variable Length Subnet Mask可变长子网掩码)，这是一种产生不同大小子网的网络分配机制，指一个网络可以配置不同的掩码。开发可变长度子网掩码的想法就是在每个子网上保留足够的主机数的同时，把一个网分成多个子网时有更大的灵活性。如果没有VLSM，一个子网掩码只能提供给一个网络。这样就限制了要求的子网数上的主机数。

VLSM技术对高效分配IP地址(较少浪费)以及减少路由表大小都起到非常重要的作用。但是需要注意的是使用VLSM时，所采用的路由协议必须能够支持它，这些路由协议包括RIP2，OSPF，EIGRP和BGP。

4.）CIDR无类别编址

1992年引入了CIDR，它意味着在路由表层次的网络地址“类”的概念已经被取消，代之以“网络前缀”的概念。Internet中的CIDRClassless Inter-Domain Routing无类别域间路由　的基本思想是取消地址的分类结构，取而代之的是允许以可变长分界的方式分配网络数。它支持路由聚合，可限制Internet主干路由器中必要路由信息的增长。IP地址中A类已经分配完毕，B类也已经差不多了剩下的C类地址已经成为大家瓜分的目标。显然对于一个国家、地区、组织来说分配到的地址最好是连续的那么如何来保证这一点呢？于是提出了CIDR的概念。CIDR是Classless Inter Domain Routing的缩写意为无类别的域间路由。“无类别”的意思是现在的选路决策是基于整个32位IP地址的掩码操作。而不管其IP地址是A类、B类或是C类，都没有什么区别。它的思想是：把许多C类地址合起来作B类地址分配。采用这种分配多个IP地址的方式，使其能够将路由表中的许多表项归并summarization　成更少的数目。

5）.专用地址和网络地址的转换(NAT)

为了减慢IP地址分配的进程，鉴别不同的通需要，并有根据地分配IP地址是很重要的。大多数组织的连通需要可以分为以下类别：全球连通性和专用连通性(总体的或局部的)。

（1）全球连通性。

全球连通性意味着组织内部的主机既能连通内部主机又能连通因特网主机。在这种情况下，主机必须配置组织内和组织外都可识别的全球惟一的IP地址，要求全球连通性的组织必须向其服务提供者申请IP地址。

（2）专用连通性。

专用连通性意味着组织内部主机只能连通内部主机，不能连通因特网主机。专用主机需要一个组织内部惟一的IP地址，但没有必要在组织外也是惟一的。对于这种连通性，IANA为所谓的“专用因特网”保留了下列三块IP地址空间：
10.0.0.0到10.255.255.255(一个单独A类网络号码)

172.16.0.0到172.31.255.255(16个相邻的B类网络号)

192.168.0.0到192.168.255.255(256个相邻的C类网络号)

企业可以不经IANA或因特网登记处的允许就从上述范围内选择自己的地址。取得专用IP地址的主机能和组织内部任何其他主机连接，但是如果不经过一个代理网关就不能和组织外的主机连接。这是因为离开公司的IP数据包将有一个源IP地址，它在公司外会被混淆，于是外部主机难以回答。因为多个建立专用网络的公司可以使用相同的IP地址，于是就可以少分配一些全球惟一的IP地址。

（3）网络地址转换器(NAT)

地址转换，即NAT功能，就是指在一个组织网络内部，根据需要可以使用私有的IP地址(不需要经过申请)，在组织内部，各计算机间通过私有IP地址进行通讯，而当组织内部的计算机要与外部internet网络进行通讯时，具有NAT功能的设备负责将其私有IP地址转换为公有IP地址，即用该组织申请的合法IP地址进行通信。简单地说，NAT就是通过某种方式将IP地址进行转换。Cisco系统提出了这个办法，作为运行在其路由器上的Cisco互连网络操作系统(ISO)TM软件的一部分。

NAT设置可以分为静态地址转换、动态地址转换、复用动态地址转换。

静态地址转换

静态地址转换将内部本地地址与内部合法地址进行一对一的转换，且需要指定和哪个合法地址进行转换。如果内部网络有E-mail服务器或FTP服务器等可以为外部用户共用的服务，这些服务器的IP地址必须采用静态地址转换，以便外部用户可以使用这些服务。

动态地址转换

动态地址转换也是将本地地址与内部合法地址一对一的转换，但是是从内部合法地址池中动态地选择一个末使用的地址对内部本地地址进行转换。

复用动态地址转换

复用动态地址转换首先是一种动态地址转换，但是它可以允许多个内部本地地址共用一个内部合法地址。只申请到少量IP地址但却经常同时有多于合法地址个数的用户上外部网络的情况，这种转换极为有用。

二：IPv4地址介绍
大家都知道，IPv4的地址位数为32位，换句话来说就是说可以有2的32次方的电脑可以联到Internet上。但是近十年来由于互联网的发展速飞快，上网人数急剧增加，因此IP地址的需求量也就越来越多，IP地址也出现了不够用的的情况，使得IP地址的发放愈趋严格，我们现在使用的是IPv4地址，但是各项资料显示全球IPv4地址可能在2005至2008年间全部发完。
IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题，主要有端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。
三：IPv6简介
美国一个大学拥有的IP地址就几乎等于全中国的IP地址。中国的公众网因IP地址匮乏，被迫大量使用转换地址，严重影响了互联网本身的效益及安全。
日本的手脚最快。早在2000年，日本就正式提出了“e-Japan”构想；次年，日本IT战略总部起草“e-Japan”战略计划草案，并在2002年财政预算中，专门拨出2兆日元实施该计划。欧洲也已在该技术上投入了4000多万欧元，但目前相关产品尚未达到商用水平。
美国曾一度对该技术持保守态度，但在2003年重新加入进来。当年6月，美国国防部发表了一份IPv6备忘录，提出在美国军方“全球信息网格”中全面部署IPv6的重要决策，并作出了300亿美元以上的预算。
美国国防部IPv6进度时间表显示：2002年至2004年形成标准的IPv6协议；2005年至2007年，IPv6和IPv4协议共同运行；2008年实现美国本土全面的IPv6计划，IPv4协议同时退出

　   IPv6是下一版本的互联网协议，也可以说是下一代互联网的协议，它的提出最初是因为随着互联网的迅速发展，IPv4定义的有限地址空间将被耗尽，地址空间的不足必将妨碍互联网的进一步发展。为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv6采用128位地址长度，一个IPv6的IP地址由8个地址节组成，每节包含16个地址位，以4个16进制数书写，节与节之间用冒号分隔。 在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题，主要有端到端IP连接、安全性、多播、移动性、即插即用等。
四：IPv6相对IPv4的优势
　　IPv6的发展是从1992年开始的，经过了十几年的发展时间，IPv6的标准体系已经基本完善，在这个过程中，IPv6逐步优化了协议体系结构，为业务发展创造机会，归纳起来IPv6的优势包括如下几个特点。
　　地址充足：IPv6产生的初衷主要是针对IPv4地址短缺问题，即从IPv4的32bit地址，扩展到了IPv6的128bit地址，充分解决了地址匮乏问题。同时IPv6地址是有范围的，包括链路本地地址、站点本地地址和任意传播地址，这也进一步增加了地址应用的扩展性。
和IPv4相比，IPv6有以下它的优越性。
　 更大的地址空间。IPv4中规定IP地址长度为32，即有2^32-1个地址；而IPv6中IP地址的长度为128，即有2^128-1个地址。
　更小的路由表。IPv6的地址分配一开始就遵循聚类(Aggregation)的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录(Entry)表示一片子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发数据包的速度。增强的组播(Multicast)支持以及对流的支持(Flow-control)。这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会，为服务质量控制提供了良好的网络平台。
　  加入了对自动配置(Auto-configuration)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。
更高的安全性。在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，这极大的增强了网络安全。
具体来说：
1.IPV6有更大的地址空间，从原来IPV4的32b增大到了128b；
2.扩展的地址分层结构；
3.灵活的首部格式；
4.改进的选项；
5.允许协议继续扩充；
6.为全球网络设备提供 3.40*1038 个地址
7.即插即用配置，DHCP 可有可无；
8.不需要广播，通过组播和任意播提供更好的网络带宽效用；
9.为所有类型的应用提供更好的 QOS 支持；
10.为数据和控制数据包提供本地信息安全框架；
11.通过快速移交，增强灵活性，提供更好的路由优化和分层移动。

五：IPv6的热门应用
　　IPv6技术体系经历了十多年的发展，其标准化的进程缓慢，严重影响了IPv6技术关键应用体系的建立。近两年来由于亚洲和欧洲力量的推动，IPv6的标准化进程明显加快，具有IPv6特性的网络设备和网络终端，以及相关的硬件平台的推出也已加快了进度。在这种趋势下，IPv6的关键应用将很快出现。
　　3G通讯业务
　　由于IP的诸多优点和全球IP浪潮的冲击，3G 演变为全IP网络的趋势越来越明显。为了满足永远在线的需要，每一个要接入因特网的移动设备都将需要两个唯一的IP地址来实现与移动因特网连接，本地网络分配一个静态IP地址，连接点分配第二个IP地址用于漫
游。GPRS和3G作为未来移动通信蓝图中的核心组成部分，对IP地址的需求量极大，只有IPv6才能满足这种需要。
　　多种个人智能终端
　　经济的发展带动了个人电子设备的发展，由呼机、手机、PDA到智能手机的发展趋势看，有联网能力的集成数据、语音和视频的个人智能终端将会很快出现，经过2～4年的发展，其规模就会相当大，由此将产生巨大的对IP地址的需求，这将是过渡到IPv6的一个最大动因。
　　超高速家庭网络;
　　根据Allied Business Intelligence的预测，家用网关的数量将从2000年的618000个增加到2005年的16.8M个，家用宽带和ADSL设备的增长也是驱动家庭网络市场的因素，很多信息技术厂商都在进行家庭网络方面的项目开发。像IEEE 1394和蓝牙这样的新技术已经被开发用于移动和家庭用途，众多拥有处理器的设备越来越具备和网络设备相连的条件。
六：IPv4过渡到IPv6的方法
　　大体有以下四种：基于IPv4的IPv6隧道、双IP支持、IPv6和IPv4的互相翻译、主机和路由器逐步过渡到IPv6。使用IPv6的通信服务形态大体分为以下3种：
　　1　隧道型是将IPv6数据包使用封装技术旁路By pass　IPv4网络，然后接驳用户的IPv6网络与IPv6主干网络的方法。
　　2　本地型则是完全不经过IPv4而只接驳IPv6的服务。
　　3　翻译型是指可以从IPv6网络接驳到因特网等IPv4网络的服务。

七：IPv6的应用前景

2006年中国的互联网用户已达到2亿多人，在数量上已达到世界第一位。就算全部互联网用户不都是永远在线，IP地址的不足在三四年后也将被耗尽。IPv4地址枯竭后，才进行IPv6地址的分配和IPv6的网络构建是来不及的，应该在IPv4地址枯竭前逐步引进IPv6，经过IPv6与IPv4的共存时代，最终全面过渡到IPv6，所以IPv6终将代替IPv4，IPv6的应用前景是非常光明的。

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