在当今的技术时代，我们见证了互联网和网络设备使用的巨大飞跃。每个家庭都有一台笔记本电脑、智能手机、数字手表、物联网设备、家庭自动化组件和其他连接到家庭网络或互联网的设备。设备之间通过各种网络协议进行通信，其中 TCP 和 IP 是最常用的协议。每个连接到网络的设备都必须有一个 IP 地址，用于标识网络上的设备。
本文解释了 Internet 协议以及 IPv6 与IPv4的区别。
什么是 IP（互联网协议）？
作为人类，我们使用我们的名字来识别和交流。同样，在计算世界中，设备使用 IP 地址来识别彼此并进行交互。所有计算设备用于相互通信的通用语言称为协议。类似于人类语言，该协议也有一套规则来格式化和处理数据。
Internet 协议 (IP) 是一组规则，用于指定计算机之间的数据寻址和路由。它主要与网络传输协议一起使用，例如 TCP 和 UDP。
由于这种独特的寻址模式，今天的 Internet 得以存在。IANA 管理连接到 Internet 的网络/站点的 IP 地址范围。但是，如果我们运行一个隔离的本地网络基础设施，我们可以根据自己的喜好分配IP 地址。现在，让我们深入了解这两种架构及其比较分析的本质。
IPv4
Internet 协议 (IP) 的第一个主要版本是版本 4 (IPv4)。它使用 32 位网络寻址架构，该架构进一步拆分为四个称为八位字节的 8 位数字。例如，google.com 的 IP 地址为 141.251.36.46。该格式称为点分四元表示法。这些 IP 地址可以手动配置，也可以通过 DHCP 服务器自动获取。
要检查远程设备的实时状态，我们可以使用以下ping 命令对该 IP 进行 ICMP 探测：
ping -c 1 google.comPING google.com (142.251.36.46) 56(84) bytes of data.
64 bytes from ams17s12-in-f14.1e100.net (142.251.36.46): icmp_seq=1 ttl=116 time=247 ms
...
IP 地址分为网络地址和主机地址两部分，用于创建子网。子网号有助于决定 IP 的网络和主机部分。此外，可用 IP 空间分为五个不同的类别，如下表所示。
| 地址类 | IP 范围 | 子网掩码 | 网络数量 | 每个网络的主机数 |
|---|---|---|---|---|
| A级 | 1.0.0.0 到 126.0.0.0 | 255.0.0.0 | 126 | 16,777,214 |
| B级 | 128.0.0.0 到 191.255.0.0 | 255.255.0.0 | 16,282 | 65,534 |
| C级 | 192.0.0.0 到 223.255.255.0 | 255.255.255.0 | 2,097,150 | 254 |
| D级 | 224.0.0.0 到 239.255.255.255 | 组播 | ||
| E级 | 240.0.0.0 到 255.255.255.255 | 研究/保留/实验 |
子网的计算涉及背后的一些数学量规。为了减轻我们的计算，我们可以使用类似的工具ipcalc或subnetcalc针对IPv4子网。下面的片段展示了如何使用这些工具：
ipcalc 110.0.20.18/24Address: 110.0.20.18 01101110.00000000.00010100. 00010010
Netmask: 255.255.255.0 = 24 11111111.11111111.11111111. 00000000
Wildcard: 0.0.0.255 00000000.00000000.00000000. 11111111
=>
Network: 110.0.20.0/24 01101110.00000000.00010100. 00000000
HostMin: 110.0.20.1 01101110.00000000.00010100. 00000001
HostMax: 110.0.20.254 01101110.00000000.00010100. 11111110
Broadcast: 110.0.20.255 01101110.00000000.00010100. 11111111
Hosts/Net: 254 Class A
subnetcalc 192.168.10.15/24Address = 192.168.10.15
11000000 . 10101000 . 00001010 . 00001111
Network = 192.168.10.0 / 24
Netmask = 255.255.255.0
Broadcast = 192.168.10.255
Wildcard Mask = 0.0.0.255
Hosts Bits = 8
Max. Hosts = 254 (2^8 - 2)
Host Range = { 192.168.10.1 - 192.168.10.254 }
Properties =
- 192.168.10.15 is a HOST address in 192.168.10.0/24
- Class C
- Private
GeoIP Country = Unknown (??)
DNS Hostname = (Name or service not known)
通常，IP 地址分配给终端主机和路由器网关接口，如下图所示。
在这里，来自机器 A (10.235.64.58) 的流量到达互联网云左侧的路由器网关接口 (10.235.64.57)。它通过 Internet 路由到达 Google Server 网关，最后到达目标服务器。
要识别网络接口 IP，您可以使用诸如ifconfig ,hostname或 之类的命令ip 。
ifconfig ens160ens160: flags=4163 mtu 1500
inet 10.235.64.58 netmask 255.255.255.252 broadcast 10.235.64.59
inet6 fe80::fc7f:d8da:a969:1c1d prefixlen 64 scopeid 0x20
ether 00:0c:29:23:6f:30 txqueuelen 1000 (Ethernet)
RX packets 35607241 bytes 34540488400 (34.5 GB)
RX errors 0 dropped 12 overruns 0 frame 0
TX packets 24701952 bytes 15008379564 (15.0 GB)
TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
hostname -I10.235.64.58
有特殊用途的网络 IP 地址，例如0.0.0.0或127.0.0.1。前者为默认路由或四零路由，后者称为环回地址。
在下面的片段中，我们将看到内核 IP 路由表以及该网络的默认路由。标志'U'表示网络路由是UP，而G表示网络路由是网络网关。
netstat -rn | grep ens160Kernel IP routing table
Destination Gateway Genmask Flags MSS Window irtt Iface
0.0.0.0 10.235.64.57 0.0.0.0 UG 0 0 0 ens160
10.235.64.56 0.0.0.0 255.255.255.252 U 0 0 0 ens160
通常，IPv4 数据报由一个 20 字节的报头字段、选项字段和长度可变的数据字段组成。示例数据包格式如下所示。
下面，Wireshark 捕获有助于从实时流量中破译数据包头信息。
IPv6
Internet 协议版本 6 是 Internet 协议 (IP) 的更新版本。互联网协议的第 6 版旨在取代旧版本 (IPv4)，截至 2018 年，该版本承载了 75% 的互联网总流量（来源：Google IPv6 Stats）。
IPv6 地址为 128 位（16 字节），使用 32 个十六进制数字，同时这些数字被进一步分为八组，每组四位数字，以便于管理。下面显示了一个简要说明。
IPv6 命名约定中涉及的基本步骤很少。
规则 1：所有字母不区分大小写。例如，'ab41' 等于 'AB41' 规则 2：带有 '0' 的连续字段可以可视化为“::”，但在寻址规则中只能出现一次 规则 3：在字段中表示前导零是可选的。例如，'001a' 等于 '1a'
以 IPv6 地址为例，45ab:0000:a179:0000:0000:c1c0:abcd:0876
应用规则 1 => 45ab:0000:a179:0000:0000:c1c0:abcd:0876 应用规则 2 => 45ab:0:a179:0:0:c1c0:abcd:876 应用规则 3 => 45ab:0:a179 ::c1c0:abcd:876
IPv6 地址分为三种类型：单播、多播和任播。单播地址是单个网络接口和传送到该特定接口的数据包。此外，单播地址具有本地（链路本地）和全局范围级别。多播地址是数据包被传送到的组接口。任播地址是组接口和传送到最近接口的数据包。
下面列出了几个众所周知的地址。
| ]::1/128 | 环回地址 |
|---|---|
| ff00::/8 | 组播地址 |
| fe80::/10 | 链路本地地址 |
| 2001::/16 | 常规 IPv6 单播地址 |
| 2002::/16 | 6to4 单播地址 |
subnetcalc 2001:4860:4860::8888/64Address = 2001:4860:4860::8888
2001 = 00100000 00000001
4860 = 01001000 01100000
4860 = 01001000 01100000
0000 = 00000000 00000000
0000 = 00000000 00000000
0000 = 00000000 00000000
0000 = 00000000 00000000
8888 = 10001000 10001000
Network = 2001:4860:4860:: / 64
Netmask = ffff:ffff:ffff:ffff::
Wildcard Mask = ::ffff:ffff:ffff:ffff
Hosts Bits = 64
Max. Hosts = 18446744073709551616 (2^64 - 1)
Host Range = { 2001:4860:4860::1 - 2001:4860:4860:0:ffff:ffff:ffff:ffff }
Properties =
- 2001:4860:4860::8888 is a HOST address in 2001:4860:4860::/64
- Global Unicast Properties:
+ Interface ID = 0000:0000:0000:8888
+ Sol. Node MC = ff02::1:ff00:8888
GeoIP Country = United States (US)
DNS Hostname = dns.google
同样，IPv6 数据包同时具有标头和有效载荷。头部大小固定为 40 字节，源地址和目标地址占用 32 字节。示例数据包格式如下所示。
IPv6虽然有很多优点，但它无法取代IPv4。两个协议版本必须共存一段时间才能无缝迁移。因此，服务提供商正在提供双栈支持系统，该系统拥有可以理解 IPv4 和 IPv6 数据包的网络接口。
智能过渡机制很少，即IPv6隧道、IPv4映射的IPv6地址等。前者将IPv6数据包封装在IPv4中，而后者在双栈实现中将IPv6映射到IPv4地址。
IPv4 与 IPv6 - 快速比较分析
| 特征 | Internet 协议 - 版本 4 [IPv4] | 互联网协议 - 版本 6 [IPv6] |
|---|---|---|
| 部署和分配 | 1981年 | 1999年 |
| 长度 | 32 位 | 128 位 |
| 地址空间 | 4.29 x 10^9 | 3.4 x 10^38 |
| 格式 | 点分十进制 / [10.235.64.56] | 十六进制 / [2400::4] |
| 八位字节数 | 4 | 16 |
| 标题大小 | 20 - 60 字节不等 | 40 字节 |
| 班级 | 五类：A类、B类、C类、D类、E类 | 没有任何 |
| 安全功能/身份验证和加密 | 无法使用 | 可用的 |
| 支票金额 | 可用的 | 无法使用 |
| IPSec | 外部和可选 | 内置功能 |
| 跳数 | 由 TTL 字段指示 | 由 Hoplimit 字段指示 |
| 碎片化 | 由发送和转发路由器执行 | 仅由发件人完成 |
| 选项字段 | 在 IPv4 标头中提供 | 没有可选字段，但可以使用 IPv6 扩展标头 |
| 组播 | IGMP 管理组播组成员 | MLD 替代 IGMP |
| 广播消息 | 可用的 | 无法使用。使用多播 |
| IP 到 MAC 映射 | 地址解析协议 | 邻居发现协议 |
结论
我们探索了互联网协议及其版本的基础知识。在此过程中，本文通过比较分析阐明了 IPv4 和 IPv6 的寻址模式、数据包格式、功能。尽管今天 IPv4 承载了大部分 Internet 流量，但 IPv6 是网络世界的未来。
