计算机网络——IPv6

第一部分：为什么我们需要IPv6？——IPv4的“中年危机”

在我们深入学习IPv6之前，首先要明白我们为什么需要它。你正在使用的IPv4（第四版互联网协议）已经为互联网服务了几十年，但它正面临一个巨大的问题：地址不够用了。

• IPv4地址耗尽：IPv4地址由32位二进制数表示，理论上最多只能提供约43亿个地址。随着全球上网设备（电脑、手机、物联网设备等）的爆炸式增长，这个数量已经捉襟见肘。全球各大洲的IPv4地址池已在2011年至2019年间相继宣布枯竭。
• 路由表庞大：早期的IPv4地址划分不够灵活，导致互联网核心路由器的路由表变得异常庞大，增加了路由器的负担和查询时间。
• 配置复杂：IPv4地址通常需要手动配置或依赖DHCP等协议，不够便捷。

为了从根本上解决这些问题，IPv6（第六版互联网协议）应运而生。

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第二部分：IPv6的优势 —— 新一代网络的“利器”

相比于IPv4，IPv6带来了许多革命性的改进，这些也是考试中常考的重点：

• “无限”的地址空间：IPv6地址长度为 128位，其地址数量是一个天文数字（$2^{128}$），足以让地球上的每一粒沙子都拥有一个IP地址。这彻底解决了地址短缺问题，也为物联网等新兴应用提供了坚实基础。
• 简化的报文头部：IPv6的报文头格式比IPv4更简洁、固定（固定为40字节），去掉了部分不常用或冗余的字段。这使得路由器处理数据包的速度更快，效率更高。
• 即插即用（无状态地址自动配置）：这是IPv6的一大亮点。设备接入网络后，可以自动配置生成全球唯一的IPv6地址，无需手动设置或依赖DHCP服务器。
• 内嵌的安全性：IPsec（IP安全协议）是IPv6的强制标准部分，为网络层通信提供了数据完整性、来源认证和加密等安全保障。
• 更好的移动性支持：IPv6从设计上就考虑了移动设备的需求，能更好地支持设备在不同网络间无缝切换。
• 增强的QoS（服务质量）：通过新增的“流标签”字段，IPv6可以为特定数据流（如视频、语音通话）提供更好的服务质量保证。

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第三部分：IPv6地址详解（重点和难点）

这是IPv6学习的核心，考试题目也常常围绕地址展开。

1. IPv6地址的表示与缩写

• 基本格式：一个128位的IPv6地址通常被写成8段，每段16位，段与段之间用冒号:隔开。每一段都用4个十六进制数表示。

  • 例如：2001:0DB8:0000:0000:0008:0800:200C:417A

• 缩写规则（考试必考）：为了书写方便，有两条缩写规则。