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原文作者：木子
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IPv4 与 IPv6

在进行 IP 配置之前，我们延伸了解一下 IPv4 与 IPv6 。 IPv4（Internet Protocol version 4）和 IPv6（Internet Protocol version 6）是互联网上用于数据包交换的两个版本的网络层协议。它们是互联网协议套件的核心部分，负责在网络设备之间路由和传递数据。

IPv4

IPv4 是第四版互联网协议，自 1981 年以来一直被广泛使用。IPv4 的特点包括： 地址空间: IPv4 使用 32 位地址，这意味着它可以支持大约 42 亿个独特的 IP 地址。 地址表示: IPv4 地址通常以点分十进制格式表示，例如 192.168.1.1。 地址配置: IPv4 地址可以手动配置（静态）或通过动态主机配置协议（DHCP）自动分配。 分片: IPv4 允许在传输过程中对数据包进行分片，这可以由发送端、接收端或中间路由器处理。 由于互联网的快速增长，IPv4 地址已经耗尽，这促使了对更广泛地址空间协议的需求。 在 IPv4 地址空间中，地址分为公网 IP、私有 IP 和 CGN（Carrier Grade NAT）地址。以下是详细区分：

公网 IP 地址

公网 IP 地址是全球唯一的，可以在整个互联网中进行通信的 IP 地址。它们不属于下列提到的私有 IP 和 CGN 地址的范围。所以，除了以下私有 IP、CGN 地址以及保留地址和特殊用途地址（如多播地址、环回地址等），其他的都属于公网 IP。

私有 IP 地址

私有 IP 地址用于局域网（LAN）内部通信，是不会在互联网中进行路由的。这些地址范围由 IANA（Internet Assigned Numbers Authority）分配：

1. 10.0.0.0 到 10.255.255.255
2. 172.16.0.0 到 172.31.255.255
3. 192.168.0.0 到 192.168.255.255

CGN (Carrier Grade NAT) 地址

CGN 地址也称为共享地址空间，用于 ISP 提供的 NAT 方案，以减少 IPv4 地址的消耗。以下是该范围：

1. 100.64.0.0 到 100.127.255.255

这些地址也不会在全球互联网中进行路由，用于解决多个用户共享一个公共 IP 地址的需求（Tailscale 用的这个地址段）。

其他特殊地址

还有一些保留和特殊用途的地址，例如：

• 环回地址: 127.0.0.1
• 广播地址: 255.255.255.255
• 多播地址: 224.0.0.0 到 239.255.255.255

IPv6

IPv6 是互联网协议的最新版本，旨在解决 IPv4 地址耗尽的问题，并引入了一些新的特性和改进。IPv6 的特点包括：

• 地址空间: IPv6 使用 128 位地址，极大地扩展了地址空间，可以支持近乎无限数量的独特 IP 地址。
• 地址表示: IPv6 地址通常以冒号分隔的十六进制格式表示，例如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a 2 e:0370:7334。
• 地址配置: IPv6 地址可以通过多种方式配置，包括静态配置、状态无关地址自动配置（SLAAC）和动态主机配置协议版本 6（DHCPv 6）。
• 无分片: IPv6 设计时取消了路由器的分片功能，要求发送端执行路径最大传输单元（PMTU）发现，并发送适合路径上最小链路 MTU 的数据包。 在 IPv6 中，没有对应 IPv4 的私有 IP 和公网 IP 的概念，但有类似的机制来实现内网和公网的区别与应用。以下是一些重要的 IPv6 地址类型和其用途：

全球单播地址（Global Unicast Address）

全球单播地址就是 IPv6中用于在全球范围内进行通信的唯一地址，类似于 IPv4的公网 IP。其地址范围一般是以 2000::/3 开头。

唯一本地地址（Unique Local Address, ULA）

唯一本地地址在某种程度上类似于 IPv4的私有 IP 地址，用于局域网通信，不会在全球互联网中进行路由。其地址范围是 FC00::/7，也可以细分为以下两个范围：

• 随机分配的 ULA: FD00::/8，通用情况下会使用这个范围，通过随机生成的方式保证在局部网络内的唯一性。
• 原始分配的 ULA: FC00::/8，目前未正式广泛使用。

链路本地地址（Link-Local Address）

这些地址只能用于单个网络链路的节点之间，不能路由到其他链路。所有 IPv6 接口在启动时都会自动生成一个链路本地地址以支持邻居发现协议。其地址范围是 FE80::/10。

不管是 Linux、macOS 还是 Windows 都会分配一个 Link-Local Address，以inet6 FE80::开头。

# Linux
[root@localhost ~]# ifconfig
ens18: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 192.168.1.3  netmask 255.255.255.0  broadcast 192.168.1.255
        inet6 fe80::486a:e224:31e4:d1fc  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 52:ea:eb:77:3d:fe  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 112410841  bytes 40294807433 (37.5 GiB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 64910  bytes 24656852 (23.5 MiB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0
 
# macOS
❯ ifconfig
en0: flags=8863<UP,BROADCAST,SMART,RUNNING,SIMPLEX,MULTICAST> mtu 1500
    options=400<CHANNEL_IO>
    ether f8:28:19:6a:2b:0f
    inet6 fe80::18cd:9189:ab4:ef40%en0 prefixlen 64 secured scopeid 0x6
    inet 192.168.1.2 netmask 0xffffff00 broadcast 192.168.1.255
    nd6 options=201<PERFORMNUD,DAD>
    media: autoselect
    status: active
 
# Windows
PS C:\Users\muzi> ipconfig
Windows IP 配置
以太网适配器 以太网:
 
   连接特定的 DNS 后缀 . . . . . . . :
   本地链接 IPv6 地址. . . . . . . . : fe80::530b:7d8a:998a:f3f5%16
   IPv4 地址 . . . . . . . . . . . . : 192.168.1.1
   子网掩码  . . . . . . . . . . . . : 255.255.255.0
   默认网关. . . . . . . . . . . . . : 192.168.1.254

其他类型地址

还有一些其他特殊用途的地址，比如：

• 多播地址: FF00::/8，用于多播通信。
• 组播地址: FF00::/8，用于组播通信。

IPv4 与 IPv6 之间的主要区别

• 地址长度: IPv4 是 32 位，IPv6 是 128 位。
• 地址表示法: IPv4 使用点分十进制，而 IPv6 使用冒号分隔的十六进制。
• 地址空间: IPv6 提供了比 IPv4 更广阔的地址空间。
• NAT 转换: 消除 NAT 以将地址空间从 32 位扩展到 128 位。
• IPSec 支持: 在 IPv6 中，IPSec 是核心特性的一部分，但同样也需要进行配置，比如采用 strongswan 等。
• 数据包处理: IPv6 简化了数据包头部，以提高路由效率，并取消了路由器分片功能。
• 自动配置: IPv6 支持更高级的自动配置能力。
• 多播和广播: IPv6 支持多播，但不支持 IPv4 那样的网络广播。取而代之，IPv6 使用多播和邻居发现协议来实现网络上的设备发现和配置。

IPv4 与 IPv6 这些区别反映了互联网协议在安全性、效率、可扩展性方面的进步，同时也提出了新的挑战，例如迁移和兼容性问题。随着 IPv6 逐渐被广泛采用，这些挑战将得到解决。

以下两图为 IPv4 与 IPv6 报文头对比: