IPv4的设计始于20世纪70年代末，随着ARPANET的扩展和网络需求的增加，工程师们意识到需要一个更大规模、更灵活的地址系统。IPv4在1981年被正式定义为RFC 791，它成为了互联网协议套件的一部分，并迅速被广泛采用。
IPv4地址由32位（4字节）组成，通常以点分十进制表示。例如，192.168.0.1是一个典型的IPv4地址。每个字节（8位）用一个十进制数表示，范围是0到255。IPv4地址的分配遵循层次结构，分为网络部分和主机部分，不同的地址类有不同的网络和主机位数分配：
- A类地址：第一个字节（8位）为网络标识，其余24位为主机标识。A类地址范围为1.0.0.0到126.0.0.0，支持大量主机但网络数量有限。
- B类地址：前16位为网络标识，后16位为主机标识。B类地址范围为128.0.0.0到191.255.0.0，均衡支持网络和主机数量。
- C类地址：前24位为网络标识，后8位为主机标识。C类地址范围为192.0.0.0到223.255.255.0，适用于大量小型网络。
- D类地址：用于多播，不区分网络和主机部分。D类地址范围为224.0.0.0到239.255.255.255。
- E类地址：保留用于实验。E类地址范围为240.0.0.0到255.255.255.255。
在IPv4的早期，地址分配策略相对宽松。IANA和各地区的RIR以较大的块分配地址。大规模分配导致了大量的地址浪费。例如，一些大学和大型企业在早期申请了大量的A类和B类地址，这些地址块中的很多并未得到充分利用。随着时间的推移，这种浪费的现象愈加明显，导致可用地址资源快速减少。
IPv4地址耗尽的原因
IP地址的分配策略
IPv4地址的分配是由IANA和RIR负责的。在互联网发展的早期阶段，这些机构采用了“先到先得”的分配策略，这种策略未能预见到互联网的爆炸性增长，导致大量地址被分配给少数机构和企业。例如，一些大学和政府机构在早期申请并获得了大块的IP地址，但实际使用率远低于预期。
互联网用户和设备的爆炸性增长
互联网的迅速普及和技术的不断进步，使得全球互联网用户数量呈现爆炸性增长。从1990年代末期开始，互联网用户数量以每年数千万的速度增加。据统计，全球互联网用户数在2000年左右为3亿，而到2020年，这一数字已经超过了45亿。与此同时，各类联网设备（如智能手机、平板电脑、物联网设备等）的数量也急剧增加。预计到2025年，全球联网设备数量将超过500亿。
这种爆炸性的增长对IPv4地址空间提出了前所未有的需求，导致IPv4地址资源迅速枯竭。许多新兴市场和发展中国家在互联网普及过程中，面临着严重的地址短缺问题，迫使他们采用私有地址和NAT等技术来缓解压力。
私有地址与NAT（网络地址转换）的局限性
私有地址和NAT技术的引入在一定程度上缓解了IPv4地址耗尽的压力。私有地址在局域网内使用，通过NAT转换为公共IP地址进行互联网通信。常用的私有地址范围包括：
- 10.0.0.0 - 10.255.255.255（10.0.0.0/8）
- 172.16.0.0 - 172.31.255.255（172.16.0.0/12）
- 192.168.0.0 - 192.168.255.255（192.168.0.0/16）
NAT技术通过在路由器或防火墙上转换私有地址和公共地址，实现多个设备共享一个公共IP地址。这种技术广泛应用于家庭网络和企业网络中。然而，NAT技术并不能从根本上解决地址耗尽的问题：
- 增加了网络复杂性：NAT需要维护地址转换表，这增加了网络管理的复杂性。
- 降低了通信效率：NAT对点对点通信（如VoIP和P2P应用）和某些协议（如IPsec）存在兼容性问题，降低了通信效率。
- 安全问题：尽管NAT在某种程度上提高了网络的安全性，但它也掩盖了网络内部结构，增加了故障排除的难度。
IANA在2011年2月3日宣布其最后一个IPv4地址块已经分配完毕，标志着全球IPv4地址正式耗尽。随后，各大RIR也陆续用尽了其分配的IPv4地址块。目前，全球几乎没有新的IPv4地址可以分配，各地区的互联网运营商和企业不得不通过二手市场购买IPv4地址。
随着IPv4地址资源的稀缺，出现了专门的IPv4地址交易市场。在这个市场中，地址块被当作稀缺资源进行买卖。许多持有大量IPv4地址的机构和企业（如早期的大型互联网服务提供商和大学）通过出售地址块获利。例如，微软在2011年以750万美元购买了660,000个IPv4地址，每个地址的平均价格约为11.36美元。
这种现象反映了IPv4地址资源的稀缺性和需求的迫切性。尽管地址交易市场在一定程度上缓解了地址短缺，但它也使得IPv4地址资源的分配变得更加不平衡。
IPv6的设计与优势
IPv6（Internet Protocol version 6）由IETF（互联网工程任务组）在1998年通过RFC 2460正式发布。其设计目标是解决IPv4地址耗尽问题，并在多个方面改进互联网协议。
IPv6采用128位地址长度，相较于IPv4的32位地址长度，其地址空间极大地扩展。IPv6提供了约3.4×10^38个（即340亿亿亿亿个）地址，足以满足未来数十年甚至数百年的需求。这种庞大的地址空间不仅能够解决当前地址短缺的问题，还为未来新兴技术（如物联网、智能城市等）提供了充足的地址资源。
IPv6报头结构相较于IPv4更加简化，减少了处理开销。IPv6报头的固定长度为40字节，包含了必要的基础信息，而不常用的选项则移至扩展报头。这种设计使得路由器在转发IPv6数据包时，处理速度更快，效率更高。
IPv6引入了新的地址类型和结构，包括无状态地址自动配置（SLAAC）和更高效的路由聚合。无状态地址自动配置允许设备在无需手动配置或依赖DHCP服务器的情况下自动生成IPv6地址。此外，IPv6支持更高效的路由聚合，减少了全球路由表的大小，提高了路由效率。
IPv6地址的结构与特点
IPv6地址由128位组成，通常以冒号分隔的八组十六进制数表示。例如，2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334就是一个典型的IPv6地址。为了简化表示，可以省略前导零和连续的零组，例如，2001:db8:85a3::8a2e:370:7334。
地址类型
IPv6支持多种地址类型，包括单播、多播和任播地址。
- 单播地址：用于标识单个网络接口。数据包发送到单播地址时，只有目标接口会接收。
- 多播地址：用于标识一组网络接口。数据包发送到多播地址时，组内的所有接口都会接收。
- 任播地址：用于标识一组网络接口。数据包发送到任播地址时，离发送者最近的一个接口会接收。
地址范围
IPv6地址的前缀标识了地址的范围和用途。例如：
- 全球单播地址：以2000::/3开头，用于全球范围内的唯一标识。
- 链路本地地址：以fe80::/10开头，用于同一链路上的通信，类似于IPv4中的APIPA地址。
- 独立站点本地地址（ULA）：以fc00::/7开头，用于私有网络中的通信。
IPv6的技术优势
自动配置
IPv6支持无状态地址自动配置（SLAAC）和有状态地址配置（DHCPv6）。SLAAC允许设备通过监听路由器通告消息，自动生成IPv6地址。这种方式无需人工干预，简化了网络管理。
改进的多播和任播
IPv6原生支持多播和任播通信，相较于IPv4，IPv6的多播机制更加高效，减少了网络负载。任播地址的引入提高了服务的可靠性和负载均衡。
内建的IPsec支持
IPv6协议内建支持IPsec（Internet Protocol Security），提供端到端的加密和认证功能。尽管IPsec也可以在IPv4上实现，但在IPv6中是强制性的，增强了网络的安全性。
消除NAT的需求
由于IPv6提供了充足的地址空间，网络设备可以直接使用全球唯一的IP地址进行通信，消除了对NAT技术的需求。这简化了网络配置，增强了通信的透明性和效率。
为啥IPv6没有完全代替IPv4？
IPv6与IPv4的共存策略
IPv6和IPv4是两种不同的协议，它们在设计上不兼容。因此，过渡到IPv6需要制定有效的共存策略。常见的共存策略包括双栈（Dual Stack）、隧道（Tunneling）和翻译（Translation）技术。
- 双栈（Dual Stack）
双栈是一种常见的过渡策略，允许网络设备同时运行IPv4和IPv6协议栈。这种方式能够确保现有的IPv4应用程序正常运行，同时支持新的IPv6应用。然而，双栈增加了网络的复杂性和管理难度，需要同时维护两套协议栈。
- 隧道（Tunneling）
隧道技术允许IPv6数据包通过IPv4网络传输，或者IPv4数据包通过IPv6网络传输。常见的隧道技术包括6to4、Teredo和ISATAP等。然而，隧道技术增加了数据包处理的复杂性，可能导致延迟增加和性能下降。
- 翻译（Translation）
翻译技术通过协议转换实现IPv4和IPv6之间的互通，如NAT64和DNS64等。这种方式虽然能够实现IPv4和IPv6网络的互操作，但也增加了网络设备的处理负担，并可能导致某些应用程序的兼容性问题。
双栈网络的复杂性与成本
双栈网络需要同时运行IPv4和IPv6两种协议，这不仅增加了网络设备的配置和维护成本，还增加了网络管理的复杂性。运营商和企业需要投资于双栈网络的基础设施升级，并培训技术人员以掌握双栈网络的管理技能。
尽管隧道技术能够在一定程度上缓解IPv4和IPv6共存的问题，但其使用也带来了诸多挑战。隧道技术增加了数据包处理的复杂性，可能导致网络性能下降和延迟增加。此外，隧道技术在某些网络环境下的可靠性和稳定性也存在问题，影响了其广泛应用。
基础设施升级的成本
部署IPv6需要对现有的网络基础设施进行升级，包括路由器、交换机、防火墙等网络设备，以及操作系统和应用程序的更新。这些升级需要大量的资金投入和人力资源，许多企业和运营商在短期内难以承受这些成本。
现有IPv4投资的沉没成本
许多企业和运营商已经在IPv4基础设施上进行了大量投资，包括购买IPv4地址、部署NAT设备、配置IPv4网络等。这些投资被视为沉没成本，使得他们在向IPv6过渡时面临着如何处理这些已投入资源的问题。这种情况下，企业和运营商往往倾向于延迟IPv6的部署，以延长现有投资的使用寿命。
缺乏经济激励
尽管IPv6能够提供更大的地址空间和技术优势，但在短期内，许多企业和运营商看不到明显的经济回报。IPv6的部署需要投入大量资金和人力，而带来的好处往往在长期才能显现。这种缺乏经济激励的现状，使得许多企业和运营商对IPv6的部署持观望态度。
运营和维护的新要求
IPv6的部署不仅涉及到初始配置，还包括后续的运营和维护。运营商和企业需要建立新的管理和监控工具，以适应IPv6网络的需求。这些新的要求增加了运营和维护的复杂性，许多企业和运营商在短期内难以全面应对这些变化。
