3.7.4 因特网地址空间的扩展——IPv6

IPv4的核心技术属于美国，从理论上讲，五类地址中每种类型可能的IP地址有43亿个（232=4294967296），其中北美占有3/4，约30亿个，而人口最多的亚洲只有不到4亿个，中国只有3千多万个，只相当于美国麻省理工学院的数量。地址不足，严重地制约了我国及其他国家互联网的应用和发展。

IPv4的设计比较完善，但随着因特网用户的飞速增加，32bit的IP地址空间已难以满足日益增加的需要。除了地址空间需要扩展外，还有增加的各种新的应用要求，例如实时话音和图像通信要求低的延时和安全通信保障等，要求新版因特网协议能为特定应用预留资源。人工智能、大数据、云计算、物联网这一切基础设施有了IPv6，才能构建我们的下一个新时代。IPv6在全球开始普及已成为必然。

为此，美国因特网工程特别工作组在1992年6月提出要制定下一代IP协议版本，即IPv6。1998年12月，美国因特网工程特别工作组发表了IPv6互联网协议第六版的草案标准，准备替代IPv4。

1.IPv6的特点

IPv6保持了IPv4许多成功的优点，并对IPv4协议的细节也作了许多修改：

（1）更大的地址空间：理论上，IPv4最多提供约43亿个IP地址，而IPv6则可以提供2128≈340万亿个IP地址。如果整个地球表面（包括陆地和水面）都覆盖着计算机，那么IPv6可给予每平方米7×1023个IP地址。如果地址的分配速率为每微秒分配100万个，那么需要1019年的时间才能将这些IP地址分配完毕。因此，IPv6的IP地址是不可能用完的。

（2）灵活的包头格式：IPv6使用一种全新的、可任选的扩展包头格式，提高了路由器的处理效率。

（3）增加选项，提供新的应用功能：增加了任播（Any Cast）功能。

（4）支持资源分配：提供实时话音和图像传输要求的带宽和小延时。

（5）支持协议扩展，允许新增特性，满足未来发展。

2.采用十六进制数和冒号（：）分隔的128bit地址

IPv6采用128bit的地址，是IPv4地址长度的4倍。对于如此巨大的地址空间，显然，用二进制表示是不可取的，而十六进制可以比十进制用更少的数位来表达数据。

十进制数据：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

十六进制数据：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

采用冒号（：）分隔的十六进制的表示方法。即把128bit分成8个16bit数据组，用十六进制来表示16bit数据最为方便。优点是：只需更少的数字和更少的分隔符。

8个16bit的十六进制数据组之间用冒号将其分隔，例如：68E6：8C64：FFFF：FFFF：0：1180：96A：FFFF。

3.如何从IPv4向IPv6过渡

要解决IPv4向IPv6的过渡不是一件容易的事情。因为现在整个因特网上使用的IPv4路由器的数量实在太大，要在短时间内全部改成IPv6路由器显然是不可能的，此外，各通信主机的Windows操作系统也要全部更换为IPv6操作系统。因此只能采用逐步演进的办法。我国计划在4～6年时间内，将原来的IPv4网络改造成IPv6网络。

中国下一代互联网工程中心抓住了全球实施IPv6这个历史机遇，在2013年，联合国际互联网母根（M根）运营者（WIDE机构）、互联网域名工程中心（ZDNS）等国际机构，领衔共同发起创立“雪人计划”，提出以IPv6为基础、面向新兴应用、自主可控的一整套根服务器解决方案和技术体系。“雪人计划”打破了根服务器困局，使全球互联网有望实现多边共治。

我国“下一代互联网工程中心”担任“雪人计划”首任执行主席，并面向全球招募25个根服务器运营志愿单位，在与现有IPv4根服务器体系架构兼容基础上，对IPv6根服务器的运营、域名系统、安全扩展、密钥签名和密钥轮转等方面进行测试验证。

2016年“雪人计划”在中国、美国、日本、印度、俄罗斯、德国、法国、英国等全球16个国家已完成了25台IPv6根服务器架设，其中1台主根服务器和3台辅根服务器部署在中国，全球形成了原有的13台IPv4根服务器加25台IPv6根服务器的新格局，为建立多边、民主、透明的国际互联网治理体系打下了坚实基础。

至此，即使在少数极端情况下（比如全球互联网出现大面积瘫痪，或者中国互联网国际出口堵塞），虽然国外的用户连接到我国的网络会出现问题，但至少还能保证国内的站点由国内的域名服务器来解析，保证国内网络正常使用。

在过渡时期，为了保证IPv4和IPv6能够共存、互通，发明了一些IPv4/IPv6的互通技术。从IPv4向IPv6过渡的策略有两种：

（1）双协议栈的通信主机。如果一台主机同时支持IPv6和IPv4两种协议，那么该主机既能与支持IPv4协议的主机通信，又能与支持IPv6协议的主机通信，

（2）隧道技术。通过IPv4协议的骨干网络（即隧道）将各个局部的IPv6网络连接起来，是IPv4向IPv6过渡的初期最易于采用的技术。

路由器将IPv6的数据分组封装入IPv4，IPv4分组的源地址和目的地址分别是隧道入口和出口的IPv4地址。在隧道的出口处，再将IPv6分组取出转发给目的站点。隧道技术只要求在隧道的入口和出口处进行修改，对其他部分没有要求，因而非常容易实现。但是隧道技术不能实现IPv4主机与IPv6主机的直接通信。

（3）网络地址/协议转换技术

网络地址/协议转换技术（Network Address Translation-Protocol Translation，NAT-PT）通过与SIIT协议转换和传统的IPv4下的动态地址翻译以及适当地与应用层网关相结合，可以实现IPv6的主机和IPv4主机的大部分应用都能互通。

上述技术很大程度上依赖于从支持IPv4的互联网到支持IPv6的互联网的转换，我们期待IPv4和IPv6可在这一转换过程中互相兼容。