5.4.4 IPv6

本课核心知识点整理

为什么需要 IPv6

IPv4 地址是 32 位，理论地址数量约为 $2^{32}$，也就是 42 亿级别。早期设计互联网时，没有预想到个人电脑、手机、服务器、物联网设备会大规模增长；随着全球联网设备暴增，IPv4 地址空间明显不足。

IPv6 的核心目标是扩大地址空间。它把地址长度扩展到 128 位：

$$IPv4=32\mathrm{位},IPv6=128\mathrm{位}$$

这不是简单“版本号变大”，而是为了解决地址耗尽，并顺带改进地址配置、报文处理、扩展能力等问题。

IPv4 到 IPv6 的技术迭代

技术	优势	不足	为什么需要下一步
分类 IPv4	简单，早期容易实现	地址分配粗糙，浪费严重	网络规模扩大后不够灵活
子网划分/CIDR	更灵活，减少浪费，支持路由汇聚	仍受 32 位地址空间限制	地址总量仍不够
NAT	让多个私有地址共享公网地址	破坏端到端透明性，增加协议复杂度	是缓解手段，不是根本扩容
IPv6	128 位地址空间巨大，支持现代网络需求	与 IPv4 不直接兼容，迁移周期长	需要过渡技术共存

IPv6 地址表示

IPv6 地址由 128 位组成，通常写成 8 组十六进制数，每组 16 位，用冒号分隔。

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329

每组 16 位对应 4 个十六进制数字。十六进制比二进制更短，所以 IPv6 不再使用 IPv4 的点分十进制。

压缩规则

IPv6 地址很长，因此允许压缩。

1. 每组前导 0 可以省略

0db8 -> db8
0042 -> 42
0000 -> 0

例如：

2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329
可写为
2001:db8:0:0:0:ff00:42:8329

2. 连续多组 0 可用 :: 压缩一次

2001:db8:0:0:0:ff00:42:8329
可写为
2001:db8::ff00:42:8329

注意：一个 IPv6 地址中 :: 只能出现一次。否则无法判断每个 :: 分别代表多少组 0。

写法	是否合法	原因
2001:db8::1	合法	:: 只出现一次
::1	合法	回环地址压缩表示
2001::db8::1	不合法	:: 出现两次，无法还原

地址类型

类型	含义
单播	一对一，发送给某个接口
组播	一对多，发送给一组接口
任播	一对最近/最合适的一个，多个接口共享地址，由路由决定到达哪个

IPv6 通常不再使用 IPv4 那种广播概念，而用组播等机制替代广播。

IPv4 到 IPv6 的过渡技术

IPv6 不能一夜之间替换所有 IPv4 网络，因此需要过渡技术。

技术	做法	适用理解
双协议栈	设备同时运行 IPv4 和 IPv6	两种网络都能直接通信
隧道技术	在 IPv4 网络中封装 IPv6 数据	IPv6 孤岛穿越 IPv4 网络
协议转换	在 IPv4 与 IPv6 之间转换报文	让只支持不同协议的两端互通

考试中看到“同时支持 IPv4 和 IPv6”选双协议栈；看到“IPv6 数据穿越 IPv4 网络”选隧道；看到“两种协议直接互通转换”选协议转换。

例题

单选

IPv6 地址长度是：

A32位B48位C64位D128位

单选

一台设备同时支持 IPv4 和 IPv6，属于：

A双协议栈BARPCNATDSMTP

单选

关于 IPv6 地址中的 `::` 压缩，正确的是：

A可以出现任意多次B只能压缩非零字段C一个地址中只能出现一次D只能用于 IPv4 地址

自查要点

1. IPv6 为什么会出现，IPv4 的根本限制是什么？
2. IPv6 的 128 位地址如何写成 8 组十六进制？
3. 前导 0 省略和 :: 压缩分别怎么用？
4. 单播、组播、任播有什么区别？
5. 双协议栈、隧道、协议转换分别解决什么过渡问题？