科普|互联网的"硬核"版本：从IPv4到IPv6

IPv4

无论你是使用智能手机上网还是使用PC机上网，你的手机或PC机都会被分配一个IP地址，手机或PC机使用这个IP地址与互联网上的其它网络通信并进行信息交换。IP地址有IPv4和IPv6两大类，目前使用的绝大多数都是IPv4地址。

IPv4全称是互联网协议（Internet Protocol，IP）第四版，是第一个在世界范围内广泛使用的互联网基础协议，或者说是为了形成全球统一网络体系，确立的一套统一的互联网世界"语言"。1981年Jon Postel在IETF发布的RFC791中定义了IP协议，该协议规定了IPv4运行在各种各样的底层网络上，比如端对端的串行数据链路(PPP协议和SLIP协议)，卫星链路等等。而所有的数据IP包从发送方出发，到接收方收到，要穿过路由器连接的许许多多不同网络。每个路由器都拥有如何传递IP包的知识，这些知识记录在路由表中。

路由表记录了不同网络的路径，每个网络都被看成一个目标网络，可以静态的记录，也可以由路由协议动态获取。IPv4并不区分作为网络终端的主机(host)和网络中的中间设备，如路由器的差别。每台电脑可以既做主机又做路由器，所有用路由器联系起来的网络的总和就是互联网。

5 个RIR 区域的耗尽日期

当IPv4协议在1981年问世的时候，工程师们总共设计了43亿个IP地址，这一数量在当时看来是完全可以满足用户需求的。但是时代限制了想象力，今天，仅中国一个国家就有近8亿互联网用户，按照一个中国人有三个联网终端（笔记本、手机、PAD）计算，世界一半的IPv4地址都不够用。实际上中国仅有3.38亿IPv4地址，人均还不到0.45个。目前，全球IPv4地址均已耗尽，这个问题不解决，地址危机将直接影响到全球互联网的发展。

IPv6

很明显，我们需要更多的IP地址，以满足今天爆炸式增长的互联网设备访问网络的需求。IPv6是互联网协议的第六版，将IPv4的32位地址格式扩大到128位，相应的IPv6有2的128次方个地址，已经相当于地球上每一个平方米可以获得10的26次方个地址，也就是人们常说的，地球上每一粒灰尘都可以获得一个IP地址。

IPv4 和IPv6 的报头格式

相较于IPv4，IPv6最主要的变化包括：一、包头简化。IP包头由13个域减少为7个域，大幅提高了路由器处理的速度。二是可变包长改为固定包长。IPv4的数据包长度是可变的，可变包长比较灵活，但会造成计算机资源分配的很大浪费。IPv6全部简化为固定包长，可以使速度大大提升。

当前，互联网从IPv4向IPv6的演进正在发生。

2016年11月7日，IAB发表关于支持IPv6发展的重要声明：IAB希望IETF能够在新RFC标准中，停止要求新设备和新的扩展协议兼容IPv4，未来的新协议全部在IPv6基础上进行优化。中国工程院院士、清华大学教授吴建平指出，这个公告的发布，表明IETF正式确立未来互联网建立在IPv6的基础上。这是互联网发展过程中一个非常重要的里程碑，IPv6成为互联网技术无可争议的发展趋势和方向。而对于以"万物互联"为目标的物联网，IPv6同样是下一代人类智能生活的枢纽工程。

中国下一代互联网核心技术研究早在2003年就已正式启动。1997年清华大学李星教授领衔的研究组建立了中国第一个IPv6试验网，并于1998年代表CERNET-6Bone（3ffe：3200：：/24）接入到全球IPv6试验网6Bone。2000年在国家自然基金委支持下，立项投资2500万，在北京建设了国家项目资助的IPv4/IPv6双栈试验网。

2003年，在57位院士建议下经国务院批复，8个部委正式联合启动中国下一代互联网示范工程CNGI。经过五年的建设，2008年完成CNGI-CERNET2第一阶段基础工程建设，并被评为2008年中国十大科技进展。CNGI-CERNET2是全球最大的纯IPv6网络，攻克了一批关键技术，开发了一批重大应用，实现了中国在下一代互联网领域的重大技术突破。

左图为CERNET网络拓扑

右图为CNGI-CERNET2网络拓扑

当国际上对IPv6还没有充分重视的时候，中国已经走在前面。2008年，IPv6成为科技奥运的重要组成部分，建立了历史上第一个IPv6的奥运会官方网站，在美国引起很大震动。目前我国CNGI项目建设取得了四个方面的创新成果：

第一，建成全球最大的纯IPv6示范网络。中国早于美国率先建成了纯IPv6网络。国外下一代互联网研究普遍是采用双栈模式，网络既支持IPv4，又支持IPv6。但中国建立的是纯IPv6的网络。清华大学教授李星指出，双栈网络实际上仍将矛盾转化到IPv4上，要完成互联网架构本质的创新，就需要在纯IPv6的网络环境下进行研究。

第二，主要采用国产IPv6核心路由器组建大规模网络。为了能够使中国在与全世界互联互通的基础上实现国产设备创新，CNGI-CERNET2采用了三分之一的国外设备和三分之二的国产设备来完成网络搭建。

第三，创新地解决了IPv4向IPv6过渡的问题。清华大学成功自主研发了4over6和IVI/MAP系列技术、IPv4/IPv6过渡技术，并进行了规模应用，形成了一批IETF的RFC国际标准。支持IPv6用户访问IPv4网络资源，同时IPv4用户如果暂时不能升级到IPv6网络，也可以访问IPv6的应用，实现了IPv4和IPv6在网络层的全功能互通。目前已经得到苹果iOS和安卓系统的支持。

IPv4/IPv6 过渡技术

第四，真实IPv6源地址验证技术及其规模应用。IETF成立了由中国牵头的工作组，专门针对IPv4网络数据传输不能对源地址进行检查验证的问题，制定了对IPv6真实源地址进行验证的国际技术标准。

中共中央办公厅、国务院办公厅2017年印发了《推进互联网协议第六版（IPv6）规模部署行动计划》，提出要用5到10年时间，形成下一代互联网自主技术体系和产业生态，建成全球最大规模的IPv6商业应用网络，到2018年末，中国IPv6活跃用户数达到2亿，在互联网用户中的占比不低于20%，国内用户量排名前50位的商业网站全面支持IPv6；到2020年末，IPv6活跃用户数超过5亿；到2025年末，网络、应用、终端全面支持IPv6。实现下一代互联网在经济社会各领域深度融合应用，并成为全球下一代互联网发展的重要主导力量。

IPv6研究使中国实现了在参与国际互联网技术创新和标准化方面的重大突破，为下一代互联网研究树立了自信心。这让我们深刻认识到，只有参与解决互联网的现实问题，才能真正掌握主动权和话语权。