作者：邵喻美 / 臺灣大學計算機及資訊網路中心資訊網路組
冰箱可以自動上網訂購食物，出差時連回家中啟動洗衣機洗衣服，開車回家的路上先打開家裡的燈光…等等人們對於未來家電的憧憬，再也不是遙不可及！通往如此便利的生活之路，在於這些設備都擁有網路位址—這就是IPv6派上用場之處！本文將一一介紹IPv6通訊協定的背景、應用及未來發展。
前言
近年來網際網路的發展不僅觸角遍及各個角落，而且相關應用的研發也迅速且多樣化。隨著寬頻網路、無線區域網路（Wireless LAN）、第三代行動通訊（3G）、以及第四代全IP網路等應用蓬勃發展，再加上各項網路家電、電腦與手機等產品逐漸普及大眾生活，人們對於網路位址（IP address）的需求也隨之增加。
目前網際網路普遍使用的IPv4網路協定，其所能提供的網路位址已面臨嚴重不足的窘境，唯有新一代的IPv6網路協定才能解決如此龐大的網路位址需求。IPv6不僅提供更大的定址空間，同時也加入對自動配置（auto-configuration）的支援、更高的安全性、以及利用表頭中的優先順序欄位及流程控制標記提供服務品質（QoS）。IPv6在服務品質方面穩定、安全、以及更適於串流等方面的特性，使其比IPv4更適合如VoIP網路電話等多媒體類型的網路應用，也更能安心地傳輸機密資料。
IPv4 vs. IPv6
在介紹IPv6之前，讓我們先回顧已普遍運用的IPv4通訊協定。IPv4的完整名稱是「網際網路協定」（Internet Protocol version 4，IPv4），於1981年正式制定為「IETF RFC 791」，是目前網際網路 （Internet）上採用的主要網路層協定。IPv4協定採用32位元（亦即4個位元組）長度的位址，但為了讓人們容易閱讀及記憶，通常採取十進位表示法，例如140.112.254.4，其中每個十進位數字代表1個位元組（8個位元），所以每個十進位數字的範圍從0到255（28-1）。IPv4協定共可提供232個（4,294,967,296）可用的位址空間，其中部分保留作為特殊用途：例如私有網路（10.0.0.0~10.255.255.255，172.16.0.0~172.31.255.255，192.168.0.0 – 192.168.255.255等）、多點傳送位址（224.0.0.0~239.255.255.255）、及保留未來使用等等，所以實際可被分配使用的公用IP位址並不到232個。
同時，隨著各種網路相關應用的蓬勃發展，IP位址快速消耗，使得IP位址短缺的問題快速浮現。下圖為日本Surfpoint網路統計機構對IPv4位址空間耗盡之預測系統，根據其每日更新的資料來看，現行的IPv4位址即將於2016年用罄。因此，如何在IP位址不足真的成為問題之前解決，已是產官學界刻不容緩的課題了。
資料來源：http://www.iphiroba.jp/blogparts/kokatsu/index.html
IPv4協定的下一版，IPv6，正是各界看好能夠解決IP位址空間不足問題的最佳人選。由於IPv4殷鑑不遠，IPv6協定採用128個位元的長度，使得位址空間可達2128—大約3.4x1038個位址，或者以目前世界66億人口計算，相當於每個人可分配到5x1028個位址。在可見的未來，這應該是綽綽有餘了！IPv6位址採十六進位表示，以冒號區隔為8組，每一組是4個十六進位數字，例如：
2001：0e10：0800：0bc0：0000：0000：0000：0001
其中每個十六進位數字介於0-9或A-F（不分大小寫）。為了簡化起見，亦可依以下簡寫規則表示：
1. 每32位元如果開頭之4位元表示為0，即可省略
2. 若32位元全為0，則可簡寫為0
3. 若連續完整之32位元段落皆為0000，則可全省略，簡寫為兩個冒號 ::，但一個位址中只能使用一次
因此上述例子可簡化為：
2001：e10：800：bc0：：1
看到IPv6位址的表示法，有人可能會聯想到IPv4位址便是以冒號區隔埠號，那麼在IPv6位址中又該如何表示呢？IPv6位址在應用層的表示法中，一般會以中括號將IPv6位址包圍起來，以免混淆了區隔埠號的冒號和IPv6位址中原本的冒號，例如：
[2001：e10：800：bc0：：1]：80
IPv6的特性
IPv6通訊協定除了採取128位元的位址長度，為了解決IPv4通訊協定的問題，其傳輸封包的欄位和長度也和IPv4有些許差異。以下舉出幾項IPv6通訊協定的特色：
- 大量位址空間：IPv6通訊協定採用128位元長度的位址空間，可抒解IPv4位址不足對於各式網路應用造成的限制，而ISP業者也可因省去網路位址解析設備（Network Address Translation，NAT）或IP分享器等設備而降低營運成本，並減少網路上的瓶頸。
- 位址自動配置：IPv6通訊協定支援自動組態（auto-configuration），因此IPv6主機接上IPv6網路後可自動取得IPv6網路位址資訊，無須如IPv4網路另外獨立設置DHCP伺服器。這種「隨插即用」的特色可以減輕網路管理者及使用者發放與設定IP位址的負擔。
- 網路層安全性：IPv6通訊協定內建IPSec加密機制，透過延伸表頭表示封包本身是加密或經過認證簽署的，因而大幅提昇網路安全性。
- 行動性（Mobility）：Mobile IPv6可提供較Mobile IPv4更強大的移動性，解決以往跨網段漫游所發生的連線障礙。
- QoS機制強化：IPv6協定透過封包中基本表頭內的優先順序欄位及流程控制標記等欄位，可直接支援QoS機制。此特性對於講求即時性的多媒體傳輸應用而言極有助益。
IPv6的應用與發展現狀
從上述IPv6協定的特性來看，其最直接的效益就是可解決IPv4位址空間不足，移動性缺乏等限制；並且可以利用QoS及IPSec等機制，提高重要網路服務的傳輸品質及安全性。放眼各國研究計畫甚至商業運轉的IPv6應用種類，大多立基於這些優勢之上，包括：
- 多媒體應用：網路電話、多媒體影音串流服務
- 感測網路（Sensor Network）：環境監測網路、地震偵測系統、居家醫療系統
- 移動網路（Mobile Network）：車機行動系統
目前世界各國已逐步發展及推廣IPv6協定，其中尤以亞洲及歐洲等地區最積極。以日本為例，NTT東日本（http://flets.com/dotnet/index.html）及西日本（http://flets-w.com）皆已正式在IPv6網路上商業營運VoIP網路電話服務；以及美國的Comcast有線電視服務網也採用IPv6為營運核心系統等。我國也不例外，過去幾年來產官學界皆已投入心力在IPv6基礎研發、標準測試、及應用推廣等方面。商業ISP也已於IPv6網路上嘗試營運服務，如HiNet的IPv6影音網（http://ipv6.taco.hinet.net/taco_ipv6/index.jsp），使用者只要透過IPv6網路連線，即可免費觀賞影片。
身處於IPv4網路環境的使用者該如何連上IPv6網路呢？基本上，如果網路環境不支援，IPv4環境下的使用者是無法連通IPv6網路的。從IPv4到IPv6的轉換過渡技術如以下各類：
- IPv4/IPv6雙堆疊(Dual Stack)：此為在同一條線路上，同時提供IPv4及IPv6通訊協定，讓原先在IPv4環境下的使用者直接使用IPv6網路。此種作法必須網路層設備同時支援IPv4和IPv6協定，目前本校骨幹路由器皆已具備IPv4/IPv6功能，使得校園網路成為IPv4/IPv6雙堆疊的網路環境。
- IPv6通道(Tuneling)技術：亦即在兩個IPv4的端點之間建立IPv6通道，使得兩端使用雙堆疊作業系統的使用者能以IPv6協定互通。在純IPv4環境下使用者，便需透過此法與某個提供此服務的伺服器建立IPv6通道，之後便可連上IPv6網路。目前網際網路上已有一些IPv6通道伺服器可提供連線服務，其中最著名的是Hexago( http://www.hexago.com)；國內則有中研院( http://tb2.ipv6.ascc.net) 和中華電信( http://www.ipv6.hinet.net/installGuide.htm )提供免費的IPv6通道服務。
- IPv4/IPv6轉換(Translator)機制：由於IPv6協定的封包格式與IPv4不同，因此為了讓原IPv4的應用能夠在IPv6上使用，必須經過轉換機制，將IPv4的模式及IPv6的模式相互轉換，才可能讓應用程式能夠互通。而且，各應用程式運用IP協定的方式不同，必須要依據各應用程式的特性量身訂做專屬的轉換機制。
IPv6的未來
儘管IPv6協定的研發及推廣已進行了數年，但由於牽涉到網路層設備升級及應用程式改寫等問題，在實際佈建及運作上仍未能立刻全面推行。但近年來，產官學界皆已正視IPv4位址即將不足的問題迫在眉睫，各政府單位明令採購網路設備時規格必須納入IPv6協定，如美國軍方採購之IT設備皆須經過IPv6測試規範，而我國交通部也建議各政府教育機構採購設備時將IPv6規格納入考量。微軟新推出的Vista作業系統核心即已內建支援IPv6，並以IPv6為優先的通訊協定，同時內建的網路通訊應用軟體皆支援IPv6。由此可見，IPv6不再只是口號 — IPv6的時代的確已經來臨了！