IPv4与IPv6区别

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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.com
PING 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ipcalcsubnetcalc针对IPv4子网。下面的片段展示了如何使用这些工具:

ipcalc 110.0.20.18/24
Address: 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 192.168.10.15/24
Address = 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 ens160
ens160: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST> 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<link>
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 -I
10.235.64.58

有特殊用途的网络 IP 地址,例如0.0.0.0127.0.0.1。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 ens160
Kernel 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::8888/64
Address = 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。

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