IPv4 与 IPv6 全面解析：从过去到未来

一、你的“网络身份证”：IP 地址是啥？

IP 地址：你在网上的“家庭住址”

在数字世界里，每当你想做任何事——刷个视频、打开网页、甚至发条消息——你的设备（电脑、手机）都需要和另一台设备（服务器）“对话”。

为了让这场对话顺利进行，双方都必须知道对方的“位置”。IP 地址（Internet Protocol Address）就是这个“位置”标识，它就像是你在互联网上的“家庭住址”或“身份证号”。

没有 IP 地址，数据包（你发送的请求和服务器返回的内容）就会像迷路的快递一样，永远找不到目的地。简单来说，没有 IP，就没有互联网。

为啥要有 IPv4 和 IPv6 两个版本？

你可能已经注意到了，我们的网络设置里经常同时出现 IPv4 和 IPv6。这是为什么呢？

故事很简单：IPv4 是“元老”，是它构建了我们今天所知的互联网。但它在 80 年代被设计时，没人能想到今天会有几百亿台设备（电脑、手机、智能手表、冰箱、摄像头...）都要联网。

结果就是：IPv4 地址用完了！

为了解决这场“地址耗尽”的全球危机，IPv6 这位“继承者”应运而生。它不仅带来了海量的地址，还顺便修复了 IPv4 的一些“老毛病”。

这篇博客，我们就来聊聊这两代“网络身份证”的故事，以及它为什么与你我息息相关。

二、 IPv4：功勋卓著的“元老”

IPv4 的“出生”：一个“够用就好”的开始

时光倒回 1981 年，IPv4 在 RFC 791 中被正式定义。它的设计者们使用了 32 位（bit） 来构建地址空间。

32 位能产生多少地址呢？答案是 2³²，大约 43 亿个。在那个电脑还是稀罕物的年代，43 亿个地址听起来多得简直用不完！

为了方便人类阅读，我们不直接写 32 位的 0 和 1，而是使用“点分十进制”表示法，比如大家熟悉的 192.168.1.1。

IPv4 的“黑话”：公网、私网和子网

要理解 IPv4，你得知道几个关键“黑话”：

公网地址 vs. 私网地址：
- 公网地址：就像你家楼的“街道地址”（如 8.8.8.8）。这是全球唯一的，可以直接在互联网上被访问。
- 私网地址：就像你家的“门牌号”（如 192.168.1.101）。这是在你自己的局域网（比如你家 WiFi）里用的，出了门（路由器）就没人认识了。常见的私网地址段有 10.x.x.x、172.16.x.x 到 172.31.x.x、以及 192.168.x.x。
子网掩码（Subnet Mask）：这个东西（比如 255.255.255.0）用来告诉电脑，一个 IP 地址里哪部分是“街道名”（网络位），哪部分是“门牌号”（主机位）。只有“街道名”相同的设备，才被认为在同一个局域网里，可以直接“喊话”。
CIDR (无类别域间路由)：你可能见过 192.168.1.0/24 这种写法。这是一种更灵活的“划地盘”方式，/24 就等同于子网掩码 255.255.255.0，意思是“前 24 位是街道名，后 8 位是门牌号”。

IPv4 的“中年危机”：地址不够用了！

互联网的爆炸式增长（PC、智能手机、物联网...）让 IPv4 的 43 亿地址迅速见底。从 2011 年开始，全球各大区的 IP 地址管理机构相继宣布：“抱歉，IPv4 公网地址，发完了！”

那么，为什么我们的互联网还没崩溃？这全靠一个“续命神技”—— NAT。

“续命神技” NAT：它是如何拯救互联网的？

NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是 IPv4 能“续命”至今的最大功臣。

NAT 原理：你家里的路由器就是一台 NAT 设备。它自己有一个“公网地址”（运营商给的），然后它为你家里的所有设备（手机、电脑、PS5）都分配了“私网地址”（如 192.168.1.x）。

当你用手机访问B站时，路由器会把你的请求包的源地址（私网地址）“翻译”成它自己的（公网地址），然后发出去。当B站把数据返回来时，路由器再“翻译”回去，准确地交给你的手机。

NAT 就像一个公寓楼的管家：整栋楼共享一个“街道地址”（公网 IP），而管家（NAT）负责根据“房间号”（私网 IP 和端口号）来分发和转寄信件。

优点：NAT 极大地缓解了 IPv4 地址短缺，一个公网 IP 就能带动成百上千台设备上网。

缺点：它破坏了互联网最初的“端到端连接性”。在 NAT 后面，你的设备在公网上没有“身份证”，外部设备无法主动找到你。这就是为什么 P2P 下载、远程桌面、联机游戏（需要“开端口”）会变得如此麻烦。

三、 IPv6：“继承者”登场，它带来了什么？

为了从根本上解决 IPv4 的危机，IPv6 登场了。它不是一个简单的升级，而是一套全新的标准（RFC 2460）。

海量地址：“给每粒沙子一个IP”

IPv6 做的第一件事，就是把地址长度从 32 位暴力扩展到了 128 位。

128 位是多少？ 2¹²⁸。这个数字有多大？

340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456

这是一个我们无法想象的数字。经典的类比是：IPv6 足以为地球上的每一粒沙子都分配一个 IP 地址，而且还绰绰有余。

地址短缺？在 IPv6 面前，这个问题不复存在。

更酷的表示法（和压缩规则）

128 位的地址太长，所以 IPv6 不用十进制，而是用“冒号十六进制”表示法，分为 8 组，每组 4 个十六进制数。

例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334

为了方便书写，IPv6 提供了两个“偷懒”规则：

省略前导零：每组开头的 0 可以省略。0db8 变成 db8，0370 变成 370。
双冒号压缩：连续的 0 段可以用 :: 代替。

应用规则后，上面的地址就变成了：

2001:db8:85a3::8a2e:370:7334

注意：一个地址里 :: 只能用一次，否则电脑就不知道你到底压缩了多少个 0。

IPv6 的“新花样”：不只是地址多

IPv6 不仅仅是“变长”了，它还带来了很多“黑科技”：

1. 简化的包头

IPv6 把 IPv4 包头里那些七七八八的可选字段都“砍掉”了，做成了固定的 40 字节包头。路由器一看就懂，不用费劲猜，处理和转发数据包的效率大大提高。

2. SLAAC：开机自动上网，告别DHCP？

这是 IPv6 的“杀手级”特性：无状态地址自动配置 (SLAAC)。

还记得 IPv4 你要么得依赖 DHCP 服务器（路由器）给你分配 192.168.1.x 地址吗？SLAAC 让你彻底告别这个依赖。你的设备一开机，只需向网络喊一声，路由器就会回复一个“网络前缀”（比如 2001:db8:85a3::/64），然后你的设备自己根据 MAC 地址等信息，“算”出一个全球唯一的 IP 地址。即插即用，无需配置！

3. 再见了，NAT？

由于 IPv6 地址多到用不完，每个设备（甚至你家的智能灯泡）都可以拥有一个全球唯一的“公网地址”。这意味着什么？

NAT 不再是必须的了！

那个破坏了端到端连接性的“管家”终于可以下岗了。你的设备可以直接和互联网上的任何其他 IPv6 设备“对话”。P2P、远程访问、物联网设备管理，一切都将变得无比简单和高效。（当然，安全问题也随之而来，所以防火墙依然至关重要。）

4. 内置的 IPsec 安全

IPv6 在设计之初就考虑了安全问题，IPsec（一套加密和验证协议）在 IPv6 中是原生支持的，为端到端通信提供了更好的安全保障。

5. 告别“广播风暴”

IPv6 取消了广播（Broadcast） 这种低效、扰民的通信方式，全面转向了更精确、更可控的“多播 (Multicast)”。

四、 IPv4 vs. IPv6：一张表看懂“两代人”的差别

说了这么多，我们来一张表格，直观对比一下这两代“网络身份证”：

特性	IPv4 (元老)	IPv6 (继承者)
地址长度	32 位	128 位
地址空间	约 43 亿	几乎无限 (2¹²⁸)
表示法	点分十进制 (`192.168.1.1`)	冒号十六进制 (`2001:db8::1`)
地址配置	手动 / DHCP	SLAAC (自动配置) / DHCPv6
NAT 依赖	高度依赖	原则上不需要
包头	20-60 字节 (可变)	40 字节 (固定)，效率更高
广播	有 (Broadcast)	无 (使用多播替代)
地址解析	ARP	NDP (邻居发现)

五、漫长的“交接”：为什么我们还在用 IPv4？

你可能会问：既然 IPv6 这么好，为什么现在（都 2025 年了）我们还没完全切换过去？为什么我的电脑上还显示着 IPv4？

“等等党”的胜利？为啥升级这么慢

这场“交接”之所以如此漫长，原因很复杂：

NAT 实在太“好用”了：讽刺的是，NAT 这个“续命神技”效果太好，它让普通用户和小型企业感觉不到 IPv4 地址耗尽的切肤之痛。没有痛点，就没有升级的动力。
“祖传”设备和代码：全球有海量的网络设备、服务器、甚至软件代码是几十年来基于 IPv4 构建的。要把这些“祖传家当”全部升级换代，成本高到难以想象。
IPv4 和 IPv6 互不兼容：这不是一个简单的“打补丁”升级。IPv6 设备无法直接和 IPv4 设备通信。这使得过渡期变得异常复杂。