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1.引言
IPv4和IPv6是IP协议的两个主要版本，IPv4的地址枯竭是推出IPv6的直接原因。IPv4的地址总数在40多亿，但是目前需要联网的移动设备已经超过100亿。在IPv4地址枯竭这个问题上，地址转换技术NAT可以在一定程度上缓解，但是要彻底解决的话，还是要看IPv6。
2.地址转换技术NAT
NAT（地址转换技术）只是一个技术上的概念，它通过修改数据包的IP地址、端口来实现对公网IP的复用，进而大幅缓解了公网IP的直接消耗。
局域网内的设备，是不能直接通过私有IP（不需要向ICANN申请）访问公网的，因为私有IP只在局域网内有效。如果要访问公网，就需要进行地址转换。以下是私有IP地址段的划分：
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| 私有地址类别 | 地址范围 | 适用场景 |
| A类 | 10.0.0.0 - 10.255.255.255 | 大型企业 / 校园内网 |
| B类 | 172.16.0.0 - 172.31.255.255 | 中型企业内网 |
| C类 | 192.168.0.0 - 192.168.255.255 | 家庭 / 小型办公内网 |
2.1地址转换技术的分类
地址转换技术NAT，根据修改的IP字段不同，可以分为源地址转换SNAT和目的地址转换DNAT。
- SNAT：修改的是数据包的源IP地址；
- DNAT：修改的是数据包的目的IP地址。
其中，SNAT分类中的PAT技术，是实际互联网中使用最广泛的地址转换技术，也是缓解IPv4地址枯竭的关键技术，下一小节再谈。
SNAT和DNAT的对比：
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| 特性 | SNAT | DNAT |
| 修改字段 | 修改数据包的源IP | 修改数据包的目的IP |
| 核心用途 | 让内网设备共享公网 IP 访问互联网 | 让公网设备访问内网的服务器 |
| 触发方式 | 由内网设备主动发起请求触发 | 需管理员手动配置端口转发的映射关系 |
SNAT转换过程：
- 内网设备发起请求：内网设备（如 192.168.1.100）向公网服务器（如 223.5.5.5）发送数据包，数据包到达 NAT 路由器。
- 地址转换：NAT 路由器将数据包的源 IP 替换为自身公网 IP（如 202.100.10.5），并在 NAT 映射表中记录 192.168.1.100<--->202.100.10.5的对应关系。
- 公网返回数据：公网服务器将响应数据包发送到 202.100.10.5。
- 反向转换再转发：NAT 路由器查询映射表，将数据包的目的 IP 替换为 192.168.1.100，然后再转发给内网设备。
DNAT的转换过程和SNAT的过程差不多，不过公网到内网的映射表是静态的，也就是说，这张表是由人为写入的。
2.2地址转换技术PAT
PAT，它不仅修改数据包的源IP，还把端口也改了，借助TCP/UDP的端口号（0-65535）来实现多个内网设备复用同一个公网IP（它们的端口不一样），然后通过不同的端口号就可以区分不同的回话，进而大幅的缓解了公网IP的消耗。
转换过程：
- 网关的公网接口只有一个公网 IP：202.100.10.5。
- 内网设备 A（192.168.1.10:50001）向公网服务器（223.5.5.5:80）发送 HTTP 请求，数据包到达网关。
- 网关修改数据包的源 IP 为 202.100.10.5，同时修改源端口为一个未被使用的公网端口（如 60001），并在映射表中记录：
- 内网：192.168.1.10:50001 <---> 公网：202.100.10.5:60001
- 内网设备 B（192.168.1.11:50002）发起另一个请求，网关分配新的公网端口（如 60002），映射表项为：
- 内网：192.168.1.11:50002 <---> 公网：202.100.10.5:60002。
- 公网服务器响应设备 A 的请求，数据包目的地址为 202.100.10.5:60001，网关查询映射表，将目的 IP 和端口改为 192.168.1.10:50001，转发到内网。
通过端口来区分不同的连接，理论上，一个公网IP可以被6万多个内网设备复用。
地址转化技术PAT，把公网IP节省到了极致，但同时也给网关带来了性能上的开销，因为它需要维护映射表。
3.IPv6首部
- 版本：用来标识IP协议版本，因为是IPv6，所以该字段固定为6。通过上图的协议首部，就可以看出IPv4和IPv6不兼容了。
- 通信量类：相当于IPv4的服务类型字段，高优先级的数据包（比如语音、视频）会被路由器优先转发。
- 流标号：IPv6 新增核心字段，用于标识属于同一流的数据包。流：指从源地址到目的地址的一系列数据包（如一个视频流），路由器可基于流标号做快速转发，无需逐包解析，提升传输效率。
- 有效载荷长度：除了基本首部之外的长度。
- 下一个首部：标识紧接在基本首部之后的首部类型，可能是 扩展首部（如路由选项首部）或 上层协议（如 TCP=6、UDP=17）。
- 跳数限制：等价于IPv4的TTL生存时间，只是语义上更明确。
- 源地址：128位的源IP地址，表示数据包从哪来。
- 目的地址：128位的目的IP地址，表示数据包要到哪去。
IPv6的128位地址空间约为3.4×10³⁸个地址，相当于给地球上每一滴水（约1.4×10²¹滴）分配一个独立标签后，还能剩下足够多的标签给其他星球的海洋使用。在可见的未来，这种数量级使得地址枯竭的可能性几乎不存在。
4.IPv6地址表示
IPv6的地址长度为128位，所以如果用IPv4的方式来表示的话，IPv6地址的长度将长的可怕。
IPv6的128地址被平均分成8个段，每个段16位（2字节），然后用16进制表示。
2001:0db8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab
这个就是一个标准的IPv6地址。但是，还是太长了。于是，推出了零压缩规则来进行优化。
零压缩规则说的是，可以用冒号::来替换连续的全0段，但是一个IPv6地址中，只能使用一次零压缩。、
采用零压缩后：
2001:0db8::1428:57ab
除了零压缩外，还引入了一个简化规则------单个段内的前导零可以省略。
比如：
原地址：2001:0db8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab
省略段内导零：2001:db8:0:0:0:0:1428:57ab (0db8 ---> db8)
零压缩：2001:db8::1428:57ab
常见的IPv6类型的地址表示特征：
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| 地址类型 | 前缀特征 | 典型表示示例 | 用途 |
| 全球单播地址 | 通常以 2001: 2002: 开头 | 2001:db8::1 | 互联网上的全局唯一地址 |
| 链路本地地址 | 以 fe80::/10 为前缀 | fe80::a00:27ff:fe12:3456 | 同一链路内通信，无需路由 |
| 环回地址 | 固定为 ::1/128 | ::1 | 本机测试，等价于 127.0.0.1 |
| 组播地址 | 以 ff 开头 | ff02::1 | 一对多通信 |
| 任播地址 | 与单播地址格式相同 | 2001:db8::2 | 一对最近通信 |
单播：一对一通信，一个节点对一个节点。
组播：一对多通信，一个节点对多个节点。
任播：一对最近通信，一个节点对一组节点中，拓扑最近的节点通信。
5.IPv4到IPv6的过渡技术
因为目前IPv4还是广泛使用，从IPv4过渡到IPv6仍需不少时间，所以就出现了从IPv4到IPv6过渡的技术。主要有两种，一种是双协议栈，另一种是隧道技术。
双协议栈指主机或路由器同时运行 IPv4 和 IPv6 两套协议栈，设备会同时配置 IPv4 地址和 IPv6 地址，能够根据数据包的地址类型，来自动选择对应的协议栈进行数据包的封装、转发和解析。但是由于需要同时维护双地址和双协议栈，配置成本较高。
隧道技术的核心是 "封装转发"：从IPv6网络进入到IPv4网络前，将 IPv6 数据包作为负载，封装到 IPv4 数据包中，让 IPv6 数据包能在 IPv4 骨干网中传输；到达目的网络后，再解开 IPv4 封装，还原出 IPv6 数据包。
6.IPv4和IPv6的区别
- 地址空间的差异，这一点是IPv4和IPv6的核心差异。IPv4它只有43亿个公网地址，现在已经枯竭，但是IPv6的地址数，足以给地球上的每一粒沙分配一个唯一地址，从根本上解决了地址枯竭的问题。
- 首部设计上，IPv4的首部因为包含了可选字段，所以它的长度是不固定的，在20到60字节之间。这样的话，路由器在转发时，需要计算IPv4的首部长度，但是IPv6的首部长度是固定的，40个字节，所以路由去不需要计算IPv6首部的长度，自然也就少了这部分的消耗。
- IPv6首部，去除了校验和字段。如果使用的是IPv4，那么每一个数据包到达路由器后，路由器都需要计算校验和。但是IPv6认为，链路层和传输层已经有了校验机制，不需要重复校验，所以相对于IPv4来说，路由器要消耗更少的CPU。
- IPv4支持广播，会向数据链路内的所有主机发送数据包，容易引发广播风暴。到了IPv6，取消了广播，取而代之的是多播。只有主动加入多播组的主机才会收到数据包，避免了带宽的浪费。
- 在安全上，IPv4中，IPsec是可选项，但是IPv6强制内置IPsec，所有数据包都加密传输，安全性要优于IPv4。
7.结语
IPv4：网络协议IPv4
完