计算机网络中的IPv4地址耗尽问题

在这里，我们将先介绍IPv4的概述、其格式，同时也会探讨为什么需要IPv6。最后，我们还将详细了解IPv6的相关信息。让我们逐一来讨论这些内容吧。
引言：
想象一下，你正在给你的亲人发送一封信。 那么，具体的流程是怎样的呢？您只需在信封的顶端写下地址即可。之后，信件会被邮政局处理，最终会被送到指定的地点。 在计算机世界中，信息的传输方式也大致相同。 当需要获取某些信息时，一组复杂的算法会扫描互联网，寻找相关的信息，然后将这些信息传递给请求方。 所有这些都是在互联网协议（IP）的框架下完成的。互联网协议是一组规则，用于管理信息包在网络中的传输过程。这些信息包也被称为数据报。
IPv4地址耗尽的情况概述：

• 在众多协议中，比如FTP、HTTPS、TCP等，其中有两个主要的协议：IPv4和IPv6。
• 就像寄出的信件都有一个地址一样，在网络中传输的数据包也都有各自的地址。这些地址要么属于IPv4协议，要么属于IPv6协议。就像我们在信件上写上收件人的地址一样，IANA这样的中央机构也会为这些数据包分配地址。而负责为某个地区分配地址的机构则会将这些地址分配给那些发送了数据请求的设备。
• 这些地址必须对每个网络设备来说都是唯一的，而且这些地址的数量是有限的。想象一下，如果可用的地址数量不足会怎么样呢？那样的话，你就无法从万维网上获取所需的信息了。

IPv4格式概述：
IPv4地址由32位组成，这些位被划分为4个部分，每部分的位数为8位。典型的IPv4地址格式如下：

xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx.xxxxxxxx

• 在每一个地方x要么代表一个……1 or 0由于很难记住32位的二进制表示形式，因此在进行显示之前，会将其转换为人类易于理解的十进制形式。例如：192.168.4.3。
• 如果我们试图计算能够被分配唯一IPv4地址的设备数量，那么得到的数字就是2的32次方，即4,294,967,296个设备。由于每个能够访问互联网的电子设备，以及所有的互联网、内网和私有网络都拥有自己的IP地址，因此，可用的IP地址很快就会用完了。
• 欧洲IP网络协调中心（一个负责在欧洲、中亚、俄罗斯以及西亚地区分配和注册IP地址的RIR）宣布，自2019年11月25日起，其拥有的IPv4地址已经完全用完了。这确实是一个严重的问题。 RIPE NCC目前正在从那些已经倒闭的组织以及那些不再需要地址的网络中回收IPv4地址。同时，该机构也在推动人们从使用IPv4转向使用IPv6。
• 自从DARPA在1984年开发出IPv4地址以来，在最初的十年里就很明显，IPv4地址可能会枯竭。IPv4地址的耗尽问题也就是说，可用的IPv4地址数量远远低于提出信息请求的设备数量。由于个人电脑以及诸如扬声器、电视、手表等智能设备的不断增加，我们所能获得的IP地址数量比最初预期的要快地被用完了。因此，必须寻找另一种解决方案。

对IPv6的需求：

• 互联网工程任务组（IETF）很早就意识到了这个问题，于是开始着手寻找解决方案。他们提出了一个新的协议，该协议能够处理越来越多设备对互联网的访问请求，从而为这一问题提供长期的解决方案。
• IPv6标准在1986年由互联网工程任务组（IETF）提出。因此，IPv6地址应运而生。最终，在2017年7月14日，IPv6被正式批准成为互联网标准。

IPv6格式概述：
IPv6地址是一个由8组各16位组成的128位地址，这些组之间用冒号分隔。具体结构如下：

xxxxxxxx:xxxxxxxx:xxxxxxxx:xxxxxxxx:xxxxxxxx:xxxxxxxx:xxxxxxxx:xxxxxxxx

• 其中，每个x的值只能是1或0。这128位数据随后会被从二进制格式转换为8组，每组由4个十六进制数字组成。具体表示方式如下：

xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx

• 典型的IPv6地址如下所示。

2001:0db8:0000:0000:0000:8a2e:0370:7334

• 与IPv4可以分配2^32个地址相比，IPv6则可以分配2^128个IP地址。实际上，支持的设备、网络以及内部网络的数量达到了340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456个。不过，实际可用的地址数量还是相对较少，因为其中一些地址块被预留出来用于特殊用途。
• 除了能够提供大量可用的地址之外，IPv6还拥有许多优于IPv4的优势。例如，IPv6可以实现网络中的路由聚合功能，从而限制路由表的扩展；同时，路由器需要处理的数据包头部数量也大大减少。此外，IPv6还支持多播、SLACC等功能。
• 从IPv4过渡到IPv6是一项困难的任务，因为这两种协议在头部结构上存在差异，因此它们之间无法直接进行通信。不过，从IPv4到IPv6的过渡过程仍然在进行中。

参考文献：

• https://www.arin.net/resources/guide/ipv6/