“什么是互聯網”之三互聯網的“硬核”版本：從IPv4到IPv6

文/張彤

IPv4

無論你是使用智能手機上網還是使用PC機上網，你的手機或PC機都會被分配一個IP地址，手機或PC機使用這個IP地址與互聯網上的其它網絡通信并進行信息交換。IP地址有IPv4和IPv6 兩大類，目前使用的絕大多數都是IPv4地址。

IPv4全稱是互聯網協議（Internet Protocol，IP）第四版，是第一個在世界范圍內廣泛使用的互聯網基礎協議，或者說是為了形成全球統一網絡體系，確立的一套統一的互聯網世界“語言”。1981年Jon Postel在IETF發布的RFC791中定義了IP協議，該協議規定了IPv4運行在各種各樣的底層網絡上，比如端對端的串行數據鏈路(PPP協議和SLIP協議) ，衛星鏈路等等。而所有的數據IP包從發送方出發，到接收方收到，要穿過路由器連接的許許多多不同網絡。每個路由器都擁有如何傳遞IP包的知識，這些知識記錄在路由表中。

路由表記錄了不同網絡的路徑，每個網絡都被看成一個目標網絡，可以靜態的記錄，也可以由路由協議動態獲取。IPv4并不區分作為網絡終端的主機(host) 和網絡中的中間設備，如路由器的差別。每臺電腦可以既做主機又做路由器,所有用路由器聯系起來的網絡的總和就是互聯網。

5個RIR區域的耗盡日期

IPv4和IPv6的報頭格式

當IPv4協議在1981年問世的時候，工程師們總共設計了43億個IP地址，這一數量在當時看來是完全可以滿足用戶需求的。但是時代限制了想象力，今天，僅中國一個國家就有近8億互聯網用戶，按照一個中國人有三個聯網終端（筆記本、手機、PAD）計算，世界一半的IPv4地址都不夠用。實際上中國僅有3.38億IPv4地址，人均還不到0.45個。目前，全球IPv4地址均已耗盡，這個問題不解決，地址危機將直接影響到全球互聯網的發展。

IPv6

很明顯，我們需要更多的IP地址，以滿足今天爆炸式增長的互聯網設備訪問網絡的需求。IPv6是互聯網協議的第六版，將IPv4的32位地址格式擴大到128位，相應的IPv6有2的128次方個地址，已經相當于地球上每一個平方米可以獲得10的26次方個地址，也就是人們常說的，地球上每一粒灰塵都可以獲得一個IP地址。

相較于IPv4，IPv6最主要的變化包括：一、包頭簡化。IP包頭由13個域減少為7個域，大幅提高了路由器處理的速度。二是可變包長改為固定包長。IPv4的數據包長度是可變的，可變包長比較靈活，但會造成計算機資源分配的很大浪費。IPv6全部簡化為固定包長，可以使速度大大提升。

當前，互聯網從IPv4向IPv6的演進正在發生。

2016年11月7日，IAB發表關于支持IPv6發展的重要聲明：IAB希望IETF能夠在新RFC標準中，停止要求新設備和新的擴展協議兼容IPv4，未來的新協議全部在IPv6基礎上進行優化。中國工程院院士、清華大學教授吳建平指出，這個公告的發布，表明IETF正式確立未來互聯網建立在IPv6的基礎上。這是互聯網發展過程中一個非常重要的里程碑，IPv6成為互聯網技術無可爭議的發展趨勢和方向。而對于以“萬物互聯”為目標的物聯網，IPv6同樣是下一代人類智能生活的樞紐工程。

中國下一代互聯網核心技術研究早在2003年就已正式啟動。1997年清華大學李星教授領銜的研究組建立了中國第一個IPv6試驗網，并于 1998 年代表 CERNET-6Bone（3ffe：3200：：/24）接入到全球IPv6試驗網6Bone。2000年在國家自然基金委支持下，立項投資2500萬，在北京建設了國家項目資助的IPv4/IPv6雙棧試驗網。

2003年，在57位院士建議下經國務院批復，8個部委正式聯合啟動中國下一代互聯網示范工程CNGI。經過五年的建設，2008年完成CNGI-CERNET2第一階段基礎工程建設，并被評為2008年中國十大科技進展。CNGI-CERNET2是全球最大的純IPv6網絡，攻克了一批關鍵技術，開發了一批重大應用，實現了中國在下一代互聯網領域的重大技術突破。

當國際上對IPv6還沒有充分重視的時候，中國已經走在前面。2008年，IPv6成為科技奧運的重要組成部分，建立了歷史上第一個IPv6的奧運會官方網站，在美國引起很大震動。目前我國CNGI項目建設取得了四個方面的創新成果：

第一，建成全球最大的純IPv6示范網絡。中國早于美國率先建成了純IPv6網絡。國外下一代互聯網研究普遍是采用雙棧模式，網絡既支持IPv4，又支持IPv6。但中國建立的是純IPv6的網絡。清華大學教授李星指出，雙棧網絡實際上仍將矛盾轉化到IPv4上，要完成互聯網架構本質的創新，就需要在純IPv6的網絡環境下進行研究。

CERNET網絡拓撲

CNGI-CERNET2網絡拓撲

IPv4/IPv6過渡技術

第二，主要采用國產IPv6核心路由器組建大規模網絡。為了能夠使中國在與全世界互聯互通的基礎上實現國產設備創新，CNGI-CERNET2采用了三分之一的國外設備和三分之二的國產設備來完成網絡搭建。

第三，創新地解決了IPv4向IPv6過渡的問題。清華大學成功自主研發了4over6和IVI/MAP系列技術、IPv4/IPv6過渡技術，并進行了規模應用，形成了一批IETF的RFC國際標準。支持IPv6用戶訪問IPv4網絡資源，同時IPv4用戶如果暫時不能升級到IPv6網絡，也可以訪問IPv6的應用，實現了IPv4和IPv6在網絡層的全功能互通。目前已經得到蘋果iOS和安卓系統的支持。

第四，真實IPv6源地址驗證技術及其規模應用。IETF成立了由中國牽頭的工作組，專門針對IPv4網絡數據傳輸不能對源地址進行檢查驗證的問題，制定了對IPv6真實源地址進行驗證的國際技術標準。

中共中央辦公廳、國務院辦公廳2017年印發了《推進互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》，提出要用5到10年時間，形成下一代互聯網自主技術體系和產業生態，建成全球最大規模的IPv6商業應用網絡，到2018年末，中國IPv6活躍用戶數達到2億，在互聯網用戶中的占比不低于20%，國內用戶量排名前50位的商業網站全面支持IPv6；到2020年末，IPv6活躍用戶數超過5億；到2025年末，網絡、應用、終端全面支持IPv6。實現下一代互聯網在經濟社會各領域深度融合應用，并成為全球下一代互聯網發展的重要主導力量。

IPv6研究使中國實現了在參與國際互聯網技術創新和標準化方面的重大突破，為下一代互聯網研究樹立了自信心。這讓我們深刻認識到，只有參與解決互聯網的現實問題，才能真正掌握主動權和話語權。