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\chapter{IPv6及相关计算机网络概念概述}

\section{IP}

网际协议（Internet Protocol，又称互联网协议），是互联网协议包中的网络层通信协议，用于跨网络边界分组交换。
它的路由功能实现了互联互通，并从本质上建立了互联网。

IP是在TCP/IP协议族中网络层的主要协议，任务是仅根据数据包标头中的IP地址将数据包从源主机传递到目标主机。
为此，IP协议定义了封装要传递的数据的数据包结构。
它还定义了用于用源和目的地信息标记数据报的寻址方法。

\section{IP地址}

IP地址（Internet Protocol Address，又称网际协议地址、互联网协议地址）是网际协议中用于标识发送或接收数据报的设备的一串数字。

\begin{itemize}
  \item IPv4地址为32位长，通常书写时以四组十进制数字组成，并以点分隔，如：172.16.254.1
  \item IPv6地址为128位长，通常书写时以八组十六进制数字组成，以冒号分割，如：2001:db8:0:1234:0:567:8:1
\end{itemize}

\section{IPv4}

IPv4（Internet Protocol version 4，译为网际协议第4版）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和使用的版本。

IPv4地址是32位长的，地址空间中只有约四十二亿（$2^{32}$，\num{4294967296}）个地址。
但是，一些地址是为特殊用途所保留的，如专用网络和多播地址。可分配的IPv4地址仅有34.19亿个。

IP地址的全球性管理机构为IANA（互联网号码分配局），其下有五个区域互联网注册管理机构（RIR）。
由IANA管理的IPv4位址，已于2011年1月31日完全分派完毕。其他五个区域的可核发地址，除了为迁移IPv6而保留的最后一块/8地址外，也随之陆续用尽。

亚太地区在2011年4月15日用尽，欧洲地区在2012年9月14日分派完毕；拉丁美洲及加勒比海地区为2014年6月10日；北美地区为2014年1月16日；非洲地区为2017年4月21日。

在大块地址块用尽后，五个区域管理机构分别发布了最后一块/8地址的分配政策，随着地址耗尽的进展，政策也在相应变化，主要是限制并逐步减少每个会员的总IPv4地址申请数量以期延缓耗尽时间。IANA也在想尽办法在全球五个区域之间灵活调配剩余可用的较小的零碎的地址块给IPv4续命。然而，北美地区在2015年9月24日，欧洲地区在2019年11月25日，最终还是将所有可用的IPv4地址完全用尽了，同时启动了排队等位政策，只有老会员归还IPv4地址，新会员才能得到相应的IPv4地址。其余三个区域的剩余地址预计到2020年底也将陆续完全用尽。

\section{IPv6}

IPv6（Internet Protocol version 6，译为网际协议第6版）是网际协议的最新版本。
用它来取代IPv4主要是为了解决IPv4地址枯竭问题，同时它也在其他方面对于IPv4有许多改进。

IPv6地址长度直接从IPv4的32位升级到128位。
因此IPV6的地址空间是（$2^{128}$，\num{3.40282366921e+38}）个。
较IPv4升级了$2^{96}$（\num{7.92281625143e+28}）倍。此数目足以为地球上每一粒沙子分配。
由于IPv6地址数过大，秉承一步到位的原则，这也是设想中64位的IPv5不存在的原因。

\subsection{我国IPv6地址拥有量}

截至2024年5月，我国已申请IPv6地址资源总量达到\num{67462}块（/32），位居世界第二。

\subsection{IPv6自治系统（AS）数量}

截至2024年5月，我国已在互联网中通告的AS数量为\num{6814}个。在已通告的AS中，支持IPv6的AS数量为\num{4799}个，占比70.43\%。

AS数量反应了目前我国网络发展程度。随着支持IPv6的AS数量不断提升，我国越来越多的网络完成了IPv6改造。

\section{IPv4地址枯竭}

IPv4地址枯竭为可使用的IPv4未核发地址完全用尽的状况。
值得注意的是，“分配”不指“使用”。

\subsection{IANA}

此为枯竭的第一层。

IP地址的全球性管理机构为IANA（互联网号码分配局），由IANA管理的IPv4位址，已于2011年1月31日完全分派完毕。
在最后5个地址块被分配给5个区域互联网注册管理机构之后，IANA的主要地址池已经用尽。

\subsection{RIR}

第二层是RIR（区域互联网注册管理机构）级别的枯竭。

这层枯竭发生后，由该区域管理的大洲的运营商通常无法再获得新的IPv4地址块。
一般这层枯竭全部发生后的情况视为全球IPv4地址正式完全枯竭。

\begin{table}[htbp]
  \centering
  \caption{RIR枯竭时间表}
  \label{tab:RIR}
  \begin{tabularx}{\textwidth}{>{\raggedright\arraybackslash}X>{\raggedright\arraybackslash}X>{\raggedright\arraybackslash}X>{\raggedright\arraybackslash}X}
    \toprule
    RIR                        & 第一阶段枯竭日期   & 第二阶段枯竭日期    & IPv4地址库规模（/24） \\
    \midrule
    亚太互联网络信息中心（APNIC）          & 2011年4月15日 & 预计2024年底    & 13,974         \\
    欧洲IP资源网络协调中心（RIPE NCC）     & 2012年9月14日 & 2019年11月25日 & -282           \\
    美洲互联网号码注册机构（ARIN）          & 2014年1月16日 & 2015年9月24日  & -431           \\
    拉丁美洲和加勒比地区互联网络信息中心（LACNIC） & 2014年6月10日 & 2020年8月21日  & -2,496         \\
    非洲互联网络信息中心（AfriNIC）        & 2017年4月21日 & 预计2027年底    & 6,527          \\
    \bottomrule
  \end{tabularx}
\end{table}

\subsection{NIR}

第三层是NIR（国家互联网注册管理机构）的枯竭，因国家/地区而异。全球共有9个国家网络中心。
这层枯竭发生后，该国运营商通常无法再获得新的IPv4地址块。