IPv4 和 IPv6 之間有哪些區別？

Dec 13, 2021

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近年來，專家聲稱 IPv4 位址即將用完，而另一種新的網路協定 IPv6 號稱可以解決 IP 位址不足的問題，並期望能取代 IPv4。儘管 1996 年就已存在 IPv6 技術，但目前多數人仍使用 IPv4。IPv4 和 IPv6 這兩種協定有何差異？IPv6 實際上是否確實比 IPv4 更好？IPv6 為何仍未普及？本文將深入介紹 IPv6 和 IPv4 的定義與區別。

什麼是 IPv4？

IPv4 是目前用於建立、分配和使用 IP 位址的協定。IP 位址的首個通用版本是 IPv4。這種網路協定使用 32 位元長度的數字位址，能提供 2 的 32 次方個唯一的 IP 位址，換算後約為 43 億個 IP 位址。

然而，當 IPv4 在 40 年前誕生時，工程師沒有想像到全球人類會像今天這樣擁有多個上網的設備。如今非常明顯，IPv4 已無法提供足够的 IP 位址。更糟糕的是，在 IPv4 發展的早期，已分配了數十億個 IP 位址給大公司。雖然這些公司至今仍不未用完，但也拒絕歸還 IP 位址。

什麼是 IPv6？

1996年，IPv6 位址的升級採用了 128 位元組成的 IP 位址，提供了 2 的 128 次方個唯一位址。遠超過 IPv4 的數量，足夠讓全球每個人都分配到 100 萬個 IP 位址。IPv6 位址幾乎無法用完。不過，自從 IPv6 出現以來，仍未完全普及。為什麼呢？

設備升級才能使用 IPv6。
如果網站執行 IPv4 協定，但設備和 ISP 僅支援 IPv6，您將無法存取該網站。要存取該網站，設備也需要支援 IPv4。
現在多數現代路由器和電子設備都支援 IPv6；不過，為��在全球實現無縫轉換，所有設備、作業系統和 ISP 都需要進行系統升級。為了避免任何服務中斷，將必須在一段時間內同時支援這兩個協定，這可能代價高昂。
對普通使用者的好處並不明顯。
如果客戶不了解新技術的直接影響，或者不了解新技術的價值，公司就很難證明投資新技術的合理性。建立更多的 IP 位址是重要而長遠的目標，但在 IP 位址用完之前，不會影響使用者的日常使用。

IPv4 與 IPv6：最重要的區別

1. 表示法

IPv4 位址使用 32 位元以點區隔的十進位表示法。例如 IPv4 位址的 localhost 表示為 127.0.0.1。IPv6 位址使用 128 位元冒號區隔的十六進位表示法。例如 IPv6 位址可表示為 2001:db8:3333:4444:5555:6666:7777:8888。

如前所述，較長的位址和十六進位表示法使得 IPv6 位址具有更多數字，較不便於記憶。

2. IP 表頭

在 IPv4 中，表頭的長度可以是 20 到 60 位元組。除非在表頭末尾設定 Option，否則通常限制為 20 個位元組。

在 IPv6 中，表頭的固定大小為 40 位元組。相較於 IPv4 的 Option 表頭欄位，IPv6 的表頭支援更好的擴充性，以提供更大的彈性來引入新的技術。

IPv6 更多的表頭代表更大的流量消耗。但由於內建欄位，較多的表頭具有許多優點：

不使用校驗和（Checksum），因此不需要在傳輸過程中進行處理。
使用流量標籤（Flow Label）來識別有效負載，以提高服務處理品質。
IPv6 封包在傳輸過程中無法分割，以提高完整性。只有來源節點可以對封包進行分割。

3. 位址類型

IPv4 提供廣播、Unicast（單點傳送）和 Multicast（多點傳送）位址。這種區別是透過保留某些 IP 位址並限制其通用性來實現的。IPv4 位址也可以用於 AnyCast（任一傳送），但 AnyCast 不是 IPv4 中定義的位址類型。

IPv6 提供 Unicast（全域、連結本地、迴環、未指定、唯一本地）、Multicast（已知、暫態、請求節點）和 AnyCast 位址。

注意：要讓 AnyCast 在 IPv6 中運作，需要告知路由設備它正在分享 AnyCast 位址。

4. 位址設定

這兩種協定的 IP 位址設定完全不同。

在 IPv4 中，IP 位址是手動設定或透過 DHCP（動態主機設定協定）設定。

IPv6 支援手動、SLAAC（無狀態位址自動設定）和 DHCPv6（無狀態/有狀態）設定。多數使用情況下，可讓 IPv6 更容易設定和執行。

5. 本機位址

IPv4 使用 ARP（位址解析協定）將網路 IPv4 位址連結到本機連結層位址，例如 MAC 位址。

IPv6 使用 NDP（鄰居發現協定）連結本機設備，並將其連接到本地網路的網際網路閘道。

IPv6 是否優於 IPv4？

除了解決 IPv4 位址數量短缺的關鍵好處之外，IPv6 還有幾個關鍵好處，如果最終採用 IPv6，使用者可享有以下好處：

1. 改善安全性

IPv6 的設計考慮到安全性。它提供了機密性、身份驗證和資料完整性。作為 IPv4 元件的網際網路控制訊息協定（ICMP）可能攜帶惡意軟體，因此公司防火牆通常會加以封鎖。另一方面，IPv6 的 ICMP 封包預設使用 IPSec，使其更加安全。

2. 沒有地理限制

不同於 IPv4 位址，IPv6 位址不會對全球某些特定區域有利，而且人人都可以使用。IPv4 在設計時，約一半的 IPv4 位址專為美國所保留。

3. 提高路由效率的潛力

IPv6 有較長的表頭，但表頭是固定的，與 IPv4 的可變表頭不同。這代表路由到這些位址的程式碼將變得更簡單，也代表需要較少的硬體處理。因此，IPv6 可提供更好的服務品質和用戶體驗。

4. 端到端連線

工程師發明了網路位址轉換（NAT）方法來幫助解決 IP 位址不足的問題。IPv6 將為所有設備建立足够多的 IP 位址，使得 NAT 不再必要。使用 IPv6，每個設備都可以連接到網際網路並直接與網站通訊。

5. 自動設定

IPv6 最好的特點是前述的無狀態自動設定。讓設備自行分配 IP 位址，而不需要透過伺服器來分配。IP 位址使用設備的 MAC 位址來產生，而您擁有的每台手機、平板電腦或筆記型電腦都擁有唯一的 MAC 位址。這使得連接到相同網路的設備更容易發現彼此。

IPv6 是否比 IPv4 更快？

IPv6 是否比 IPv4 更快？目前仍沒有明確的答案，在 IPv6 被廣泛採用之前可能也無法確定。雖然效能上的差異為 IPv4 帶來些許優勢，但差異非常小。網站安全公司 Sucuri 測試了 6 個不同位置中 22 個網域的回應時間，發現 IPv6 比 IPv4 稍慢，但只慢了幾分之一秒。這樣的差異在上網時無法察覺。速度測試結果也說明，回應時間也可能受到位置的影響。