1、概述

    互联网已经成为现代社会信息基础设施的重要组成部分，在国民经济发展和社会进步中起着举足轻重的作用，同时也成为当今高科技发展的重要支撑环境，互联网的巨大成功有目共睹。

    现在被全球广泛使用的互联网协议IPv4是“互联网协议第四版”，已经有30年的历史。从技术上看，尽管IPv4在过去的应用具有辉煌的业绩，但是现在看来已经露出很多弊端。

    全球范围内WLAN、2.5G、3G无线移动数据网络的发展加快了以互联网为核心的通信模式的形成，由于移动通信用户的增长要比固定网用户快得多，特别是各种具有联网功能的移动终端的迅猛发展，考虑到随时随地的、任何形式、直接的个人多媒体通信的需要，现有的IPv4已经远远不能满足网络市场对地址空间、端到端的IP连接、服务质量、网络安全和移动性能的要求。因此人们寄希望于新一代的IP协议来解决以上问题。

    IPv6协议正是基于这一思想提出的，它是“互联网协议第六版”的缩写。在设计IPv6时不仅仅扩充了IPv4的地址空间，而且对原IPv4协议各方面都进行了重新考虑，做了大量改进。除了提出庞大的地址数量外，IPv6与IPv4相比，还有很多的工作正在进行以期得到更高的安全性、更好的可管理性，对QoS和多播技术的支持也更为良好。下面的章节将从几个主要的方面探讨一下IPv6与IPv4的区别。

    2、IPv4与IPv6协议的比较

    2.1 报头格式

    IPv4报头如表1所示，包含20bit+选项，13个字段，包括3个指针。

    表1 IPv4报头

    IPv6报头由基本报头+扩展报头链组成，其中基本报头如表2所示，包含40bit，8个字段。

    表2 IPv6报头

    IPv4和IPv6报头格式主要区别如下。

    IPv6报头采用基本报头+扩展报头链组成的形式，这种设计可以更方便地增添选项以达到改善网络性能、增强安全性或添加新功能的目的。

    2.1.1 固定的IPv6基本报头

    IPv6基本报头被固定为40bit，使路由器可以加快对数据包的处理速度，提高了转发效率，从而提高网络的整体吞吐量，使信息传输更加快速。

    2.1.2 简化的IPv6基本报头

    IPv6基本报头中去掉了IPv4报头中阴影部分的字段，其中段偏移和选项和填充字段被放到IPv6扩展报头中进行处理。

    去掉报头校验(HeaderChecksum，中间路由器不再进行数据包校验，去掉此字段的原因有三：一是因为大部分二层链路层已经对数据包进行了校验和纠错控制，链路层的可靠保证使得三层网络层不必再进行报头校验；二是端到端的四层传输层协议也有校验功能以发现错包；三是报头校验需随着TTL值的变化在每一跳重新进行计算，增加包传送的时延。

    IPv6基本报头中去掉与IP分片相关的域，使得路由器无需再对数据包进行分片，而分片工作由源终端设备根据最大传输单元MTU路径发现来进行。这样IPv6的数据包可以远远超过64kbit/s，应用程序可以利用MTU，获得更快、更可靠的数据传输。

    2.1.3 IPv6报头新增流标记宇段

    IPv6协议不仅保存了IPv4报头中的业务类别字段，而且新增了流标记字段，使得业务可以根据不同的数据流进行更细的分类，实现优先级控制和QoS保障，极大地改善了IPv6的服务质量。

    2.1.4 IPv6报头采用128bit地址长度

    这是IPv4与IPv6最主要的区别。IPv4采用32bit长度，理论上可以提供大约43亿个IP地址，这么多的IP地址似乎可以满足网络连接的需要，但事实上网络中任意交换机和交换机任意端口均需一个独立地址，为此网络缺乏足够地址满足各种潜在的用户。

    IPv6采用128bit长度，相对IPv4，增加了296倍的地址空间。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。这样几乎可以不受限制地提供IP地址，从而确保了端到端连接的可能性。表3给出IPv4和IPv6的可用地址空间。

    表3 IPv4和IPv6的可用地址空间

    2.2 IP地址分配

    IPv4地址分配初期采用基于类别的方式，有3类主要方式：A、B和C以及2种特殊的网络地址D和E。

•     类型A地址：其中前7bit用于网络标识，后24bit用于主机标识，A类地址可容纳128个网络，任意A类网络中可包括16777216个主机。
•     类型B地址：其中前14bit用于网络标识，后16bit用于主机标识，B类地址可容纳16384个网络，任意B类网络中可包括16384个主机。
•     类型C地址：其中前21bit用于网络标识，后8bit用于主机标识，C类地址可容纳2097152个网络，任意C类网络中可包括256主机。

    A、B、C类地址用于标识某一网络节点的接口，称为单播地址，D类地址不是用于标识单一的接口，而是用于标识多个网络节点接口的集合。E类地址是预留地址。

    A类网络地址是用于标识世界上最大型的网络，除了其中少量的预留和可重新分配的地址，A类地址目前已经分配完毕。B类地址也将使用殆尽。

    IPv4基于上述类别处理的管理方式限制了实际可使用的地址，例如一个拥有300个用户的网络期望采用一个B类地址，然而如果实际分配一个B类地址则用户拥有了65536个地址域，这远远超过用户需要的地址空间，造成地址的大量浪费。

    为解决这种地址分配方式的弱点，IETF通过了无类域间路由选择(CIDR，ClassInter-DomainRoutin)方案。CIDR方案取消了IPv4协议中地址类别分配方式，可以任意设定网络号和地址号的边界，即根据网络规模的需要重新定义地址掩码，这样可为用户提供聚合多个C类的地址。但是CIDR方案的不足之处是必须在知道网络掩码后才能确定地址中网络编号和主机编号。

    IPv6协议可根据用户的需要进行层状地址分配，这和IPv4采用块状地址分配是不同的，后者方式导致某些地址无法使用。在IPv6的分层地址分配方式中，高级网络管理部门可为下级网络管理部门划分地址分配区域，下级网络管理部门则可为更下层的管理部门进一步划分地址分配区域。

    IPv6将用户划分成3种类型。

    (1)使用企业内部网络和Internet；

    (2)目前使用企业内部网络，将来可能会用到Internet：

    (3)通过家庭、飞机场、旅馆以及其他地方的电话线和Internet网络互联。

    IPv6协议为这些用户提供了不同地址分配方式。

    (1)4种类型的点到点通信/单播地址；用于标识单一网络设备接口，单播通信传播的分组可传送到地址标识的接口。

    (2)改进的多播地址格式；用于标识归属于不同节点的设备接口集合，多播通信传送的分组可发送到地址标识的所有接口，这种地址方式是非常有用的。例如，可将网络中发送的新消息传送给所有登记的用户。特殊的多播地址可限制在特定网络链路或特定的系统组中进行通信。IPv6协议没有定义广播地址，但可使用多播地址替代。

    (3)新的任意播(Anycast)地址格式；IPV6协议中引入了任意播地址，用于标识属于不同节点的设备接口集合，任意播传送的分组可发送到地址标识的某一接口，接收到信息的接口通常是最近距离的网络节点，这种方式可提高路由选择的效率，网络节点可通过地址表示通信过程传输路由可经过的中间跳数，即信息传输路由可不必由路由器决定。