网络编程懒人入门(十一)：一文读懂什么是IPv6

本文同时发布于“即时通讯技术圈”公众号，链接是：https://mp.weixin.qq.com/s/cS5xB2DrjF52rmz6EGVJ6A。
本文参考了公众号鲜枣课堂的“IPv6，到底是什么？”一文的部分内容，感谢原作者。

1、引言

现在IPv6的技术应用已经越来越普及了，很多应用都开始支持IPv6。

▲ 去年开始，支付宝的官网上就已出现“支持IPv6”标识

对于即时通讯技术（尤其是IM应用）的开发者来说，新产品上架苹果的App Store因IPv6问题被拒的情况，很常见。每次也都能根据网上的资料一一解决，并顺利通过审核。

然而几次下来，到底什么是IPv6，还是有点云里雾里。

那么，IP协议在TCP/IP体系中到底有多重要？看看下图便知（原因清晰版：从此处进入下载）。

▲ 红圈处就是IP协议，它几乎是整个TCP/IP协议簇的支撑（图引用自《计算机网络通讯协议关系图》）

总之，IP协议在TCP/IP体系中，是非常重要的一环（可以认为，没它，也就没有了互联网），作为IPv4的下一代协议，了解IPv6非常有必要。而作为即时通讯开发者来说，了解IPv6就显的尤为迫切，说不定某天你的IM就会因为IPv6问题而导致无法通信的局面出现。

本文将用浅显易懂的文字，带你了解到底什么是IPv6。

（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-2979-1-1.html）

2、系列文章

本文是系列文章中的第11篇，本系列文章的大纲如下：

《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》
《网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异》
《网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》
《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
《网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议》
《网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接》
《网络编程懒人入门(九)：通俗讲解，有了IP地址，为何还要用MAC地址？》
《网络编程懒人入门(十)：一泡尿的时间，快速读懂QUIC协议》
《网络编程懒人入门(十一)：一文读懂什么是IPv6》（本文）

3、复习一下什么是IPv4？

IPv4是Internet Protocol version 4的缩写，中文翻译为互联网通信协议第四版，通常简称为网际协议版本4。

IPv4使用32位（4字节）地址，因此地址空间中只有 4,294,967,296（即2^32） 个地址。

IPv4地址可被写作任何表示一个32位整数值的形式，但为了方便人类阅读和分析，它通常被写作点分十进制的形式，即四个字节被分开用十进制写出，中间用点分隔。

通常IPv4地址的地址格式为 nnn.nnn.nnn.nnn，就像下面这样：

172.16.254.1

下图看起来更清晰一些：

4、IPv6又是什么？

IPv6是Internet Protocol version 6的缩写，中文翻译为互联网通信协议（TCP/IP协议）第6版，通常简称为网际协议版6。IPv6具有比IPv4大得多的编码地址空间，用它来取代IPv4主要是为了解决IPv4地址枯竭问题，同时它也在其他方面对于IPv4有许多改进。

其实，IPv6并不是新技术，从IPv6最早的工作组成立1992年到现在，已过去27年。在互联网技术的发展历程中，IPv6年龄甚至有些太大了。

IPv6的“6”表示的是TCP/IP协议的第六个版本，IPv4的“4”表示的是TCP/IP协议的第四个版本。其实除了这两个版本，当然还有其它版本，TCP/IP协议其实从IPv1开始，到现在IPv10都已经出现了，这些不同版本之间并没有关联，也不是简单IP地址长度的长短。

IPv6地址由八组、每组四位16进制数字组成，每组之间由"："来分隔。

看个简单的例子：

2610:00f8:0c34:67f9:0200:83ff:fe94:4c36，每个“：”前后都是4位16进制的数字，共分隔成8组。

如下图所示： 

小知识：如何查看手机或者电脑的网络是否支持IPv6呢？

可以在你手机或者电脑上的浏览器中打开：Ipv6-test.com，就像下图这样： 

5、为什么要使用IPv6？

最主要的原因，就是地址数量不够用了。

IPv4迄今为止已经使用了30多年。最早期的时候，互联网只是设计给美国军方用的，根本没有考虑到它会变得如此庞大，成为全球网络。

尤其是进入21世纪后，随着计算机和智能手机的迅速普及，互联网开始爆发性发展，越来越多的上网设备出现，越来越多的人开始连接互联网。这就意味着，需要越来越多的IP地址。

IPv4的地址总数是2的32次方，也就是约42.9亿个。而全球的网民总数早已超过这个数目。

所以说，IPv4地址池接近枯竭，根本无法满足互联网发展的需要。人们迫切需要更高版本的IP协议，更大数量的IP地址池。（有点像固定电话号码升位。）

6、IPv6会带给我们什么？

首先，最重要的一点，就是前面所说的地址池扩容。IPv4的地址池是约42.9亿，IPv6能达到多少呢？

数量如下：

340282366920938463463374607431768211456个…

不用数了，太多了… 简单说，是2的128次方。

这个数量，即使是给地球上每一颗沙子都分配一个IP，也是妥妥够用的。

▲ 这图你看懂了吗？嗯，我也没看懂，反正就是很多的样子

这个数量值是怎么得来的呢？还是它的地址位长决定的。

如果以二进制来写，IPv6的地址是128位。不过，这样写显然不太方便（一行都写不下）。所以，通常用十六进制来写，也就缩短成32位（32位会分为8组，每组4位）。 

下面就是一个标准、合法的IPv6地址示例：

2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

注意：IPv6的地址是可以简写的，每项数字前导的0可以省略。

例如，下面这个地址：

2001:0DB8:02de:0000:0000:0000:0000:0e13

粉红的“0”就可以省略，变成：

2001: DB8:2de:0:0:0:0:e13

如果有一组或连续几组都是0，那么可以简写成“::”，也就是：

2001: DB8:2de::e13

注意：一个IPv6地址，只能有一个“::”。

为什么？很简单，你看下面这四个地址，如果所有0全都缩写，会变成什么样？

2001:0000:0000:0000:0000:25de:0000:cade
2001: 0000: 0000:0000:25de:0000:0000:cade
2001: 0000: 0000:25de:0000:0000:0000:cade
2001: 0000: 25de:0000:0000:0000:0000:cade

是的，都是2001::25de::cade，冲突了。所以，这个地址是非法的，不允许存在的。

关于IPv6还有很多技术细节，因篇幅原因，不再赘述。

除了地址数量之外，IPv6还有很多优点，例如：

1）IPv6使用更小的路由表。使得路由器转发数据包的速度更快；
2）IPv6增加了增强的组播支持以及对流的控制，对多媒体应用很有利，对服务质量（QoS）控制也很有利；
3）IPv6加入了对自动配置的支持。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；
4）IPv6具有更高的安全性。用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，极大地增强了网络的安全性；
5）IPv6具有更好的扩容能力。如果新的技术或应用需要时，IPV6允许协议进行扩充；
6）IPv6具有更好的头部格式。IPV6使用新的头部格式，就简化和加速了路由选择过程，提高了效率；
……

7、IPv6的优点这么多，为什么之前普及却这么慢？

IPv6优点这么多，为什么它问世已经20年了，还是没有完全替代IPv4呢？这里面的水就很深了。。。说白了，主要还是和利益有关。

7.1 NAT这类技术，让IPv4得以续命

如果按照本世纪初专家们的预测，我们IPv4的地址早已枯竭几万次了。但是，一直挺到现在，大家仍然还在用IPv4，对老百姓来说，并没有因为地址不够而无法上网。

这是为什么呢？ 就是因为除了IPv6之外，我们还有一些技术，可以变相地缓解地址不足。

例如NAT（Network Address Translation，网络地址转换）。

NAT是什么意思？当我们在家里或公司上网时，你的电脑肯定有一个类似192.168.0.1的地址，这种地址属于私网地址，不属于公共的互联网地址。

▲ 一个典型的NAT应用场景（图自《IPv6，到底是什么？》）

每一个小的局域网，都会使用一个网段的私网地址，在与外界连接时，再变换成公网地址。这样一来，几十个或几百个电脑，都只需要一个公网地址。

甚至还可以私网套私网，NAT套NAT，一层一层套。这样一来，大大节约了公网IP地址数量。正因为如此，才让我们“续命”到了今天，不至于无法上网。

但是，NAT这种方式也有很多缺点，虽然私网地址访问互联网地址方便，但互联网地址访问私网地址就困难了。很多服务，都会受到限制，你只能通过复杂的设置才能解决，也会影响网络的处理效率。

▲ NAT内网的计算机是不能被外网直接访问的（图自《IPv6，到底是什么？》）

7.2 升级IPv6涉及运营商的利益

物以稀为贵，地址越稀缺，就越值钱。掌握地址的人，就越开心。谁开心？运营商和ISP（互联网服务提供商）。

他们就像是经销商，从上游（互联网域名与号码分配机构，即ICANN）申请到IP地址，再卖给下游用户。稀缺没关系，反正，他一定能赚取更多的差价。

如果大家去找运营商或ISP买带宽，或者租赁云服务，带公共地址的，一定比不带公共地址的贵很多很多。

除了地址可以赚钱之外，如果升级支持IPv6，对运营商和ISP来说，也意味着很大的资金投入。现在新设备基本都是支持的，但毕竟还是有一些老设备，如果在使用寿命到期之前就换，就是亏钱。

所以，运营商和ISP都没有动力去启用IPv6。 

至于设备商或手机电脑厂商，出于提前考虑，早已普遍支持了IPv6，意见并不是很大，也决定不了什么。必竟，提供基础设施服务的运营商们更强势。

8、IPv6未来会怎样

随着5G时代的到来，有了IPv6的加持，万物互联或许会成为现实。对于我等实时通信类软件的开发人员来说，某些场景下，或许再也不需要为“P2P打洞”这种事情烦恼了。 

▲ 5G+IPv6，万物互联不是梦

未来已来，你准备好了吗？

9、参考资料

[1] IPv6入门教程

[2] IPv6，到底是什么？

[3] 关于IPv6的发展史！IPv6的秘密史！

[4] 科普：一文读懂IPv6是什么？

[5] 漫话：全球IPv4地址正式耗尽？到底什么是IPv4和IPv6？

附录：更多网络编程基础知识文章

《TCP/IP详解 - 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 - 第17章·TCP：传输控制协议》
《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》
《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》
《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
《P2P技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解(基本原理篇)》
《P2P技术详解(三)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解(进阶分析篇)》
《P2P技术详解(四)：P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》
《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》
《高性能网络编程(五)：一文读懂高性能网络编程中的I/O模型》
《高性能网络编程(六)：一文读懂高性能网络编程中的线程模型》
《Java的BIO和NIO很难懂？用代码实践给你看，再不懂我转行！》
《不为人知的网络编程(一)：浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》
《不为人知的网络编程(二)：浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)》
《不为人知的网络编程(三)：关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
《不为人知的网络编程(四)：深入研究分析TCP的异常关闭》
《不为人知的网络编程(五)：UDP的连接性和负载均衡》
《不为人知的网络编程(六)：深入地理解UDP协议并用好它》
《不为人知的网络编程(七)：如何让不可靠的UDP变的可靠？》
《不为人知的网络编程(八)：从数据传输层深度解密HTTP》
《不为人知的网络编程(九)：理论联系实际，全方位深入理解DNS》
《技术扫盲：新一代基于UDP的低延时网络传输层协议——QUIC详解》
《让互联网更快：新一代QUIC协议在腾讯的技术实践分享》
《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》
《聊聊iOS中网络编程长连接的那些事》
《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》
《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》
《IPv6技术详解：基本概念、应用现状、技术实践（上篇）》
《IPv6技术详解：基本概念、应用现状、技术实践（下篇）》
《从HTTP/0.9到HTTP/2：一文读懂HTTP协议的历史演变和设计思路》
《脑残式网络编程入门(一)：跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
《脑残式网络编程入门(二)：我们在读写Socket时，究竟在读写什么？》
《脑残式网络编程入门(三)：HTTP协议必知必会的一些知识》
《脑残式网络编程入门(四)：快速理解HTTP/2的服务器推送(Server Push)》
《脑残式网络编程入门(五)：每天都在用的Ping命令，它到底是什么？》
《脑残式网络编程入门(六)：什么是公网IP和内网IP？NAT转换又是什么鬼？》
《脑残式网络编程入门(七)：面视必备，史上最通俗计算机网络分层详解》
《脑残式网络编程入门(八)：你真的了解127.0.0.1和0.0.0.0的区别？》
《以网游服务端的网络接入层设计为例，理解实时通信的技术挑战》
《迈向高阶：优秀Android程序员必知必会的网络基础》
《全面了解移动端DNS域名劫持等杂症：技术原理、问题根源、解决方案等》
《美图App的移动端DNS优化实践：HTTPS请求耗时减小近半》
《Android程序员必知必会的网络通信传输层协议——UDP和TCP》
《IM开发者的零基础通信技术入门(一)：通信交换技术的百年发展史(上)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(二)：通信交换技术的百年发展史(下)》
《IM开发者的零基础通信技术入门(三)：国人通信方式的百年变迁》
《IM开发者的零基础通信技术入门(四)：手机的演进，史上最全移动终端发展史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(五)：1G到5G，30年移动通信技术演进史》
《IM开发者的零基础通信技术入门(六)：移动终端的接头人——“基站”技术》
《IM开发者的零基础通信技术入门(七)：移动终端的千里马——“电磁波”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(八)：零基础，史上最强“天线”原理扫盲》
《IM开发者的零基础通信技术入门(九)：无线通信网络的中枢——“核心网”》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十)：零基础，史上最强5G技术扫盲》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十一)：为什么WiFi信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十二)：上网卡顿？网络掉线？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十三)：为什么手机信号差？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十四)：高铁上无线上网有多难？一文即懂！》
《IM开发者的零基础通信技术入门(十五)：理解定位技术，一篇就够》
《百度APP移动端网络深度优化实践分享(一)：DNS优化篇》
《百度APP移动端网络深度优化实践分享(二)：网络连接优化篇》
《百度APP移动端网络深度优化实践分享(三)：移动端弱网优化篇》
《技术大牛陈硕的分享：由浅入深，网络编程学习经验干货总结》
《可能会搞砸你的面试：你知道一个TCP连接上能发起多少个HTTP请求吗？》
《知乎技术分享：知乎千万级并发的高性能长连接网关技术实践》
《5G时代已经到来，TCP/IP老矣，尚能饭否？》
>> 更多同类文章 ……

欢迎关注我的“即时通讯技术圈”公众号： 

（本文同步发布于：http://www.52im.net/thread-2979-1-1.html）