接触过网络编程的人会听到这样一种说法：IPv4 的地址马上就不够用了，快去用 IPv6 吧，因为它的地址有 2¹²⁸ 个，不会面临 IP 地址短缺的情况。
IP 协议简介
现行的 IP 协议存在两个版本，IPv4（Internet Protocol version 4）和 IPv6。
IPv4 是网际协议开发过程中的第四个修订版本，也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4 是互联网的核心，也是使用最广泛的网际协议版本，其后继版本为 IPv6。直到 2011 年，IANA IPv4 地址完全用尽时，IPv6 仍处在部署的初期。
设计 IPv6 的目的是取代 IPv4，然而长期以来 IPv4 在互联网流量中占据主要地位，IPv6 的使用增长缓慢。在 2017 年 7 月，通过 IPv6 使用 Google 服务的用户首次超过 20%。
IPv4
IPv4 数据报
IPv4 数据数据报的关键字段如下：
- Version 版本号。
- 这 4 bit 规定了数据报的 IP 协议版本，IPv4=0100。
- 通过查看版本号，路由器能确定如何解释 IP 数据报的剩余部分（不同 IP 版本使用的数据报格式不同）。
- Header length 首部长度。
- 包括了 Options 的长度，但不包括 Data 长度。
- 这个字段占 4 个 bit，其中每一个 bit 表示 4 个字节（units of 32 bits）。这个字段的最大值是 0xFFFF (15)，所以 Header 最长占 60 个字节，去掉 Header 中固定的 20 个字节，剩下 40 个字节留给 Options。
- Type of service TOS。
- 该字段用来区分 IP 数据报的类型。
- 可以将实时流量（如 IP 电话应用）与非实时流量（如 FTP）区分开。
- Datagram length（bytes）数据报长度。
- 这是 IP 数据报的总长度（Header+Data），以字节计。
- 因为该字段长 16 bit，所以 IP 数据报理论上最大长度为 65535 字节。然而，数据报很少有超过 1500 字节的。
- 16-bit Identifier、Flags、13-bit Fragmentation offset 标识、标志、片偏移。（IPv6 中已废除）
- 这三个字段与 IP 分组分片有关。
- IPv6 不允许在路由器上对分组分片 。
- Time-to-live TTL。
- 该字段用来确保数据报不会一直在网络中循环（当路由选择存在环路时）。
- 每当数据报由一台路由器处理时，该字段的值减 1。若 TTL 值减为 0，则数据报被丢弃。
- Upper-layer protocol 协议号。
- 该字段仅在 IP 数据报到达其最终目的地才会有用。
- 该字段值指示了 IP 数据报的数据部分应交给哪个特定的运输层协议。例如，值为 6 表明数据部分要交给 TCP，而值为 17 表明数据要交给 UDP。
- 该字段在 IP 数据报中所起的作用，类似于端口号字段在传输层报文中所起的作用。协议号是将网络层与传输层绑定到一起的粘合剂，而端口号是将传输层和应用层绑定到一起的粘合剂。
- Header checksum 首部校验和。（IPv6 中已废除）
- 首部检验和帮助路由器检测收到的 IP 数据报中的比特差错。首部校验和的计算可以参考 这篇博客。
- 路由器要对收到的每个 IP 数据报计算其首部检验和（因为 TTL 字段以及 Options 字段会改变），如果首部中携带的检验和与计算得到的检验和不一致，则检测出比特差错。路由器一般会丢弃检测出差错的数据报。
- 32-bit Source/Destination IP address 源和目的 IP 地址。
- 源主机可以通过 DNS 来查找目的地址。
- Options(if any) 。（IPv6 中已废除）
- 选项字段允许 IP 首部被扩展。
- 选项的存在的确是件复杂的事，因为数据报头长度可变，故不能预先确定数据字段从何处开始。而且还因为有些数据报要求处理选项，而有些数据报则不要求，故导致一台路由器处理一个 IP 数据报所需的时间变化很大。
- Data 有效载荷。
- 这是最后的也是最重要的字段！
- 大多数情况下 IP 数据报中的数据字段是要交付给目的地的传输层报文（TCP 或 UDP）。当然，该数据字段也可承载其他类型的数据，如 ICMP 报文。
一个 IPv4 数据报的首部长度为 20 字节（假设无选项字段）。
IPv6
IPv6 数据报
IPv6 数据数据报的关键字段如下：
- Version 版本号。
- IPv6=0110。
- Traffic class 流量类型。
- 该字段占 8 bit ，与 IPv4 中 TOS 字段的含义相似。
- Flow label 流标签。
- 它提醒路由器重复使用之前的接力路径，这样 IP 包可以自动保持出发时的顺序。这对于流媒体之类的应用有帮助。
- Flow label 的进一步使用还在开发中。
- Payload length 有效载荷长度。
- 该 16 bit 值作为一个无符号整数，给出了 IPv6 数据报中 Data 部分的长度。
- 与 IPv4 中 Datagram length 字段类似，但 IPv4 中表示的是整个数据报的长度，IPv6 只表示有效载荷的长度。
- Next header。
- 该字段与 IPv4 首部中 Upper-layer protocol 字段含义类似。
- Hop limit 跳限制。
- 该字段与 IPv4 首部中 TTL 字段含义类似。
- Source/Destination address 源和目的地址。
- Data 有效载荷。
一个 IPv6 数据报的首部长度固定为 40 字节。
小结
IPv4 与 IPv6 首部字段对比图
IPv6 对比于 IPv4 有以下几点重要变化：
- 拓展了地址空间（由 2³² 变为 2¹²⁸）。
- 解决了 IP 地址不足的问题。
- IPv6 数据报不允许在路由器上分片，这个操作只能在源和目的执行。
- 如果中间链路的 MTU 较小，这时候路由器就直接丢包，然后向发送发发一个『分组太大』的 ICMP 报文，然后源就根据这个报文，把数据报分成更小的几个再重传。
- 这种设计是合理的，因为路由器的分片是耗时的操作，这样可以提升 IP 数据报转发的速度。
- 去掉了首部校验和字段。
- 把这个字段去掉之后，可以提升 IP 数据报转发的速度。
- 因为在传输层、数据链路层中，有很多协议都有具备错误检测的功能，而首部校验和因为有 TTL 等参数变化，计算的开销很大。
- 去掉了首部中的 Options 字段。
- 固定首部长度，使路由器在处理数据报首部时更加明确。