早在2011年2月3日， 互聯網編号分配機構（IANA）就已宣布IPv4地址用盡。 此後，IPv6地址則會接班，并提供數量“浩瀚”的新型IP地址。是多麼的“浩瀚”呢？我們先來用對比一下兩者的數量。

IPv4地址空間數量：4 294 967 296

IPv6地址空間數量：

那什麼是IPv4和IPv6呢？我們來深入的了解一下。

大多數Internet用戶熟悉IP地址,并且了解最流行的地址類型‥ IPv4地址。這些地址通常采用所謂的點分四組或點分十進制表示法,例如165.195.130.107。點分四組表示法由四個用點分隔的十進制數組成。每個這樣的數字是一個非負整數,範圍為[0, 255],代表整個IP地址的四分之一。點分四組表示法是編寫完整的IPv4地址(一個用于Intemet系統的32位非負整數)的簡單方式,它使用便捷的十進制數。在很多情況下,我們将關注這種地址的二進制結構。

用點分四組和二進制表示法寫的IPv4地址

在IPv6中,地址的長度是128位,是IPv4地址長度的4倍。一般來說,大多數用戶對它不太熟悉。IPv6地址的傳統表示方法是采用稱為塊或字段的四個十六進制數,這些被稱為塊或字段的數由冒号分隔。例如,一個包含8個塊的IPv6地址可寫為5f05:2000:80ad:5800:0058:0800:2023:1d710雖然不像用戶熟悉的十進制數,但将十六進制數轉換為二進制更容易。另外,一些已取得共識的IPv6地址簡化表示法已被标準化。

1. 一個塊中前導的零不必書寫。在前面的例子中,地址可寫為5f05:2000:80ad:5800:58:800:2023:1d71。
2. 全零的塊可以省略,并用符号::代替。例如, IPv6地址0:0:0:0:0:0:0:1可簡寫為::10同樣,地址2001:0db8:0:0:0:0:0:2可簡寫為2001:db8::20為了避免出現歧義,一個IPv6地址中符号::隻能使用一次。
3. 在IPv6格式中嵌人IPv4地址可使用混合符号形式,緊接着IPv4部分的地址塊的值為ffff,地址的其餘部分使用點分四組格式。例如, IPv6地址::ffff:10.0.0.1可表示IPv4地址10.0.0.10它被稱為IPv4映射的IPv6地址。
4. IPv6地址的低32位通常采用點分四組表示法。因此, IPv6地址::0102:f001相當于地址::1.2.240.1。它被稱為IPv4兼容的IPv6地址。需要注意, IPv4兼容地址與IPv4映射地址不同；它們隻是在能用類似IPv4地址的方式書寫或由軟件處理方面給人以兼容的感覺。這種地址最初用于IPv4和IPv6之間的過渡計劃,但現在不再需要。
5. 前導的零必須壓縮(例如, 2001:0db8::0022變成2001:db8::22 )。
6. . ::隻能用于影響最大的地方(壓縮最多的零),但并不隻是針對16位的塊。如果多個塊中包含等長度的零,順序靠前的塊将被替換為::。
7. . a到f的十六進制數字應該用小寫表示。

下表介紹了一些IPv6地址的例子以及它們的二進制表示。

IPv6地址和它的二進制表示的幾個例子

在某些情況下(例如表示一個包含地址的URL時), IPv6地址中的冒号分隔符可能與其他分隔符混淆,例如IP地址和端日号之間使用的冒号。在這種情況下,用括号字符[和]包圍IPv6地址。例如, URL

http://[2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344]:443/

是指IPv6主機2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344中的端口号443使用HTTP、TCP和IPv6協議。

由于擁有大量地址(特别是IPv6),可以方便地将地址空間劃分成塊o IP地址可根據類型和大小分組。大多數IPv4地址塊最終被細分為一個地址,用于識别連接Intemet或某些專用的内聯網的計算機網絡接日。這些地址稱為單播地址。 IPv4地址空間中大部分是單播地址空間oIPv6地址空間中大部分目前未使用。

1Pv4地址空間最初分為五大類

這裡,我們看到5個類被命名為A、 B、 C、 D和E。A、 B、 C類空間用于單播地址。如果我們仔細看這些地址結構,可看到不同類的相對大小,以及在實際使用中的地址範圍。下表給出了這種類結構(有時被稱為分類地址結構)。

最初("分類")的IPv4地址空間劃分

該表顯示了分類地址結構的主要使用方式,如何将不同大小的單播地址塊分配給用戶。類劃分基于給定大小的可用網絡數和給定網絡中的可分配主機數之間的折中。例如,某個站點分配了一個A類網絡号18.0.0.0 ,其中有224個地址分配給主機(即IPv4地址使用範圍18.0.0.0 - 18.255.255.255),但在整個Intemet中隻有127個A類網絡。某個站點分配了一個C類網絡号,例如192.125.3.0,隻能容納256台主機(也就是說在範圍192.125.3.0 - 192.125.3.255内),但有超過200萬的C類網絡号是可用的。

通過子網尋址,一個站點被分配一個A類、 B類或C類的網絡号,保留一些剩餘主機号進一步用于站點内分配。該站點可能将基礎地址中的主機部分進一步劃分為一個子網号和一個主機号。從本質上來說,子網尋址為IP地址結構增加了一個額外部分,但它沒有為地址增加長度。因此,一個站點管理員能在子網數和每個子網中預期的主機數之間折中,同時不需要與其他站點協調。

子網尋址提供額外靈活性的代價是增加成本。由于當前的子網字段和主機字段的定義是由站點指定的(不是由網絡号分類決定),一個站點中所有路由器和主機需要一種新的方式,以确定地址中的子網部分和其中的主機部分。在出現子網之前,這個信息可直接從一個網絡号中獲得,隻需知道是A類、 B類或C類地址(由地址的前幾位表示)。下圖給出了使用子網尋址的例子,顯示了一個IPv4地址可能的格式。

一個B類地址被劃分子網的例子。

該站點将每個地址的前16位固定為某些特定号碼,這是由于這些位已被分配給核心機構。後16位(僅用于在無子網的B類網絡中創建主機号)現在可以由站點的網絡管理員接需分配。在這個例子中, 8位被選定為子網号,剩下8位為主機号。這個特殊配置允許站點支持256個子網,每個子網最多可包含254台主機(當前每個子網的第一個和最後一個地址無效,即從整個分配範圍中除去第一個和最後一個地址)。注意,隻有劃分子網的網絡中的主機和路由器知道子網結構。在需要進行子網尋址之前, Internet其他部分仍将它作為站點相關的地址來看待。下圖顯示了如何工作。

某個站點被分配一個典型的B類網絡号128.32。

本圖顯示了一個虛拟的站點,使用一個邊界路由器(即Internet的一個連接點)連接Internet和兩個内部局域網。 x的值可以是[0,255]範圍内的任意值。每個以太網是一個IPv4子網,整體分配為B類地址的網絡号128.320 1nternet中的其他站點要訪問這個站點,目的地址以128.32開始的所有流量直接由Internet路由系統交給邊界路由器(特别是其接口的IPv4地址137.164.23.30)。在這點上,邊界路由器必須區分128.32網絡中的不同子網。特别是,它必須能區分和分離目的地址為128.32.1.x和目的地址為128.32.2.x.的流量。這些地址分别表示子網号1和2,它們都采用128.32的B類網絡号。為了做到這點,路由器必須知道在地址中如何找到子網ID。

子網掩碼是由一台主機或路由器使用的分配位,以确定如何從一台主機對應IP地址中獲得網絡和子網信息o IP子網掩碼與對應的IP地址長度相同(IPv4為32位, IPv6為128位)。它們通常在一台主機或路由器中以IP地址相同的方式配置,既可以是靜态的(通常是路由器),也可以使用一些動态方式。對于IPv4,子網掩碼以IPv4地址相同的方式(即點分十進制)編寫。雖然最初不需要以這種方式分配,當前子網掩碼由一些1後跟一些0構成。這樣安排,就可以用容易記的格式表示掩碼,隻需給出一些連續位的1 (左起)的掩碼。這種格式是當前最常見的格式,有時也被稱為前綴長度。下面兩表列出了IPv4和IPv6的一些例子。

各種格式的IPv4子網掩碼的例子

各種格式的IPv6子網掩碼的例子

掩碼由路由器和主機使用,以确定一個IP地址的網絡/子網部分的結束和主機部分的開始。子網掩碼中的一位設為1表示一個IP地址的對應位與一個地址的網絡/子網部分的對應位相結合,并将結果作為轉發數據報的基礎。相反,子網掩碼中的一位設為0,表示一個IP地址的對應位作為主機ID的一部分。例如,我們在下圖中可以看到,當子網掩碼為255.255.255.0時,如何處理IPv4地址128.32.1.140。

一個IP地址可以與一個子網掩碼使用按位與操作,以形成用于路由的地址的網絡/子網标識符(前綴)。

注意， Intemet路由系統其餘部分不需要子網掩碼的知識,因為站點之外的路由器做出路由決策隻基于地址的網絡号部分,并不需要網絡/子網或主機部分。因此,子網掩碼純粹是站點内部的局部問題。

在每個IPv4子網中,一個特殊地址被保留作為子網廣播地址。子網廣播地址通過将IPv4地址的網絡/子網部分設置為适當值,以及主機部分的所有位設置為1而形成。例如128.32.1.0/24。子網廣播地址的構建方式為:對子網掩碼取反(即将所有的0位改變為1,反之亦然),并與子網中任意計算機的地址(或等值的網絡/子網前綴)進行按位或運算。下圖顯示了這個計算過程,其中使用IPv4地址128.32.1.14。

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