(工作)IPv6

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IPv6是英文“Internet Protocol Version 6”(互联网协议第6版)的缩写,是互联网工程任务组(IETF)设计的用于替代IPv4的下一代IP协议,其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址 [1] 。

由于IPv4最大的问题在于网络地址资源不足,严重制约了互联网的应用和发展。IPv6的使用,不仅能解决网络地址资源数量的问题,而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍 [1] 。

在IPv4和IPv6共存的网络中,对于仅有IPv4地址,或仅有IPv6地址的端系统,两者无法直接通信的,此时可依靠中间网关或者使用其他过渡机制实现通信。

组成结构

表示方法
IPv6的地址长度为128位,是IPv4地址长度的4倍。于是IPv4点分十进制格式不再适用,采用十六进制表示。IPv6有3种表示方法。

一。冒分十六进制表示法

格式为:X:X:X:X:X:X:X:X.其中每个X表示地址中的16b,以十六进制表示。如:
ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789
这种表示法中,每个X的前导0是可以省略的,例如:
2001:0DB8:0000:0023:0008:0800:200C:417A→ 2001:DB8:0:23:8:800:200C:417A

二、0的压缩表示法

在某些情况下,一个IPv6地址中间可能包含很长的一段0,可以把连续的一段0压缩为“::”。但为保证地址解析的唯一性,地址中”::”只能出现一次,例如:
FF01:0:0:0:0:0:0:1101 → FF01::1101

0:0:0:0:0:0:0:1 → ::1

0:0:0:0:0:0:0:0 → ::

三、内嵌IPv4地址表示法

为了实现IPv4-IPv6互通,IPv4地址会嵌入IPv6地址中,此时地址常表示为:X:X:X:X:X:X:d.d.d.d,前96b采用冒分十六进制表示,而最后32b地址则使用IPv4的点分十进制表示,例如::192.168.0.1与::FFFF:192.168.0.1就是两个典型的例子,注意在前96b中,压缩0位的方法依旧适用

报文内容

IPv6报文的整体结构分为IPv6报头、扩展报头和上层协议数据3部分。IPv6报头是必选报文头部,长度固定为40B,包含该报文的基本信息;扩展报头是可选报头,可能存在0个、1个或多个,IPv6协议通过扩展报头实现各种丰富的功能;上层协议数据是该IPv6报文携带的上层数据,可能是ICMPv6报文、TCP报文、UDP报文或其他可能报文。
IPv6的报文头部结构如图:
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地址类型

IPv6协议主要定义了三种地址类型:单播地址(Unicast Address)、组播地址(Multicast Address)和任播地址(Anycast Address)。与原来在IPv4地址相比,新增了“任播地址”类型,取消了原来IPv4地址中的广播地址,因为在IPv6中的广播功能是通过组播来完成的。

单播地址:用来唯一标识一个接口,类似于IPv4中的单播地址。发送到单播地址的数据报文将被传送给此地址所标识的一个接口。

组播地址:用来标识一组接口(通常这组接口属于不同的节点),类似于IPv4中的组播地址。发送到组播地址的数据报文被传送给此地址所标识的所有接口。

任播地址:用来标识一组接口(通常这组接口属于不同的节点)。发送到任播地址的数据报文被传送给此地址所标识的一组接口中距离源节点最近(根据使用的路由协议进行度量)的一个接口。

IPv6地址类型是由地址前缀部分来确定,主要地址类型与地址前缀的对应关系如下:

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单播地址

IPv6单播地址与IPv4单播地址一样,都只标识了一个接口。为了适应负载平衡系统,RFC3513允许多个接口使用同一个地址,只要这些接口作为主机上实现的IPv6的单个接口出现。单播地址包括四个类型:全局单播地址、本地单播地址、兼容性地址、特殊地址。

一、全局单播地址:等同于IPv4中的公网地址,可以在IPv6 Internet上进行全局路由和访问。这种地址类型允许路由前缀的聚合,从而限制了全球路由表项的数量。

二、本地单播地址:
链路本地地址和唯一本地地址都属于本地单播地址,在IPv6中,本地单播地址就是指本地网络使用的单播地址,也就是IPV4地址中局域网专用地址。每个接口上至少要有一个链路本地单播地址,另外还可分配任何类型(单播、任播和组播)或范围的IPv6地址。

(1)链路本地地址(FE80::/10):仅用于单个链路(链路层不能跨VLAN),不能在不同子网中路由。结点使用链路本地地址与同一个链路上的相邻结点进行通信。例如,在没有路由器的单链路IPv6网络上,主机使用链路本地地址与该链路上的其他主机进行通信。
(2)唯一本地地址(FC00::/7):唯一本地地址是本地全局的,它应用于本地通信,但不通过Internet路由,将其范围限制为组织的边界。
(3)站点本地地址(FEC0::/10,新标准中已被唯一本地地址代替)

三、兼容性地址:在IPv6的转换机制中还包括了一种通过IPv4路由接口以隧道方式动态传递IPv6包的技术。这样的IPv6结点会被分配一个在低32位中带有全球IPv4单播地址的IPv6全局单播地址。另有一种嵌入IPv4的IPv6地址,用于局域网内部,这类地址用于把IPv4结点当作IPv6结点。此外,还有一种称为“6to4”的IPv6地址,用于在两个通过Internet同时运行IPv4和IPv6的结点之间进行通信。

四、特殊地址:包括未指定地址和环回地址。未指定地址(0:0:0:0:0:0:0:0或::)仅用于表示某个地址不存在。它等价于IPv4未指定地址0.0.0.0。未指定地址通常被用做尝试验证暂定地址唯一性数据包的源地址,并且永远不会指派给某个接口或被用做目标地址。环回地址(0:0:0:0:0:0:0:1或::1)用于标识环回接口,允许节点将数据包发送给自己。它等价于IPv4环回地址127.0.0.1。发送到环回地址的数据包永远不会发送给某个链接,也永远不会通过IPv6路由器转发 [12] 。

组播地址

IPv6组播地址可识别多个接口,对应于一组接口的地址(通常分属不同节点)。发送到组播地址的数据包被送到由该地址标识的每个接口。使用适当的组播路由拓扑,将向组播地址发送的数据包发送给该地址识别的所有接口。任意位置的IPv6节点可以侦听任意IPv6组播地址上的组播通信。IPv6节点可以同时侦听多个组播地址,也可以随时加入或离开组播组。
IPv6组播地址的最明显特征就是最高的8位固定为1111 1111。IPv6地址很容易区分组播地址,因为它总是以FF开始的 [12]

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任播地址

一个IPv6任播地址与组播地址一样也可以识别多个接口,对应一组接口的地址。大多数情况下,这些接口属于不同的节点。但是,与组播地址不同的是,发送到任播地址的数据包被送到由该地址标识的其中一个接口。
通过合适的路由拓扑,目的地址为任播地址的数据包将被发送到单个接口(该地址识别的最近接口,最近接口定义的根据是因为路由距离最近),而组播地址用于一对多通信,发送到多个接口。一个任播地址必须不能用作IPv6数据包的源地址;也不能分配给IPv6主机,仅可以分配给IPv6路由器 [13] 。

使用协议

地址配置协议

IPv6使用两种地址自动配置协议,分别为无状态地址自动配置协议(SLAAC)和IPv6动态主机配置协议(DHCPv6)。SLAAC不需要服务器对地址进行管理,主机直接根据网络中的路由器通告信息与本机MAC地址结合计算出本机IPv6地址,实现地址自动配置;DHCPv6由DHCPv6服务器管理地址池,用户主机从服务器请求并获取IPv6地址及其他信息,达到地址自动配置的目的。

一、无状态地址自动配置

无状态地址自动配置的核心是不需要额外的服务器管理地址状态,主机可自行计算地址进行地址自动配置,包括4个基本步骤:

  1. 链路本地地址配置。主机计算本地地址。
  2. 重复地址检测,确定当前地址唯一。
  3. 全局前缀获取,主机计算全局地址。
  4. 前缀重新编址,主机改变全局地址 [14] 。

    二、IPv6动态主机配置协议

    IPv6动态主机配置协议DHCPv6是由IPv4场景下的DHCP发展而来。客户端通过向DHCP服务器发出申请来获取本机IP地址并进行自动配置,DHCP服务器负责管理并维护地址池以及地址与客户端的映射信息。
    DHCPv6在DHCP的基础上,进行了一定的改进与扩充。其中包含3种角色:DHCPv6客户端,用于动态获取IPv6地址、IPv6前缀或其他网络配置参数;DHCPv6服务器,负责为DHCPv6客户端分配IPv6地址、IPv6前缀和其他配置参数;DHCPv6中继,它是一个转发设备。通常情况下。DHCPv6客户端可以通过本地链路范围内组播地址与DHCPv6服务器进行通信。若服务器和客户端不在同一链路范围内,则需要DHCPv6中继进行转发。DHCPv6中继的存在使得在每一个链路范围内都部署DHCPv6服务器不是必要的,节省成本,并便于集中管理 [15] 。

路由协议

IPv4初期对IP地址规划的不合理,使得网络变得非常复杂,路由表条目繁多。尽管通过划分子网以及路由聚集一定程度上缓解了这个问题,但这个问题依旧存在。因此IPv6设计之初就把地址从用户拥有改成运营商拥有,并在此基础上,路由策略发生了一些变化,加之IPv6地址长度发生了变化,因此路由协议发生了相应的改变。
与IPv4相同,IPv6路由协议同样分成内部网关协议(IGP)与外部网关协议(EGP),其中IGP包括由RIP变化而来的RIPng,由OSPF变化而来的OSPFv3,以及IS-IS协议变化而来的IS-ISv6。EGP则主要是由BGP变化而来的BGP4+ [17] 。

一、RIPng
下一代RIP协议(RIPng)是对原来的RIPv2的扩展。大多数RIP的概念都可以用于RIPng。为了在IPv6网络中应用,RIPng对原有的RIP协议进行了修改:
UDP端口号:使用UDP的521端口发送和接收路由信息。
组播地址:使用FF02::9作为链路本地范围内的RIPng路由器组播地址。
路由前缀:使用128位的IPv6地址作为路由前缀。
下一跳地址:使用128位的IPv6地址。
二、OSPFv3
RFC 2740定义了OSPFv3,用于支持IPv6。OSPFv3与OSPFv2的主要区别如下:

  1. 修改了LSA的种类和格式,使其支持发布IPv6路由信息。
  2. 修改了部分协议流程。主要的修改包括用Router-lD来标识邻居,使用链路本地地址来发现邻居等,使得网络拓扑本身独立于网络协议,以便于将来扩展。
  3. 进一步理顺了拓扑与路由的关系。OSPFv3在LSA中将拓扑与路由信息相分离,在一、二类LSA中不再携带路由信息,而只是单纯的拓扑描述信息,另外增加了八、九类LSA,结合原有的三、五、七类LSA来发布路由前缀信息。
  4. 提高了协议适应性。通过引入LSA扩散范围的概念进一步明确了对未知LSA的处理流程,使得协议可以在不识别LSA的情况下根据需要做出恰当处理,提高了协议的可扩展性。

三、网络地址转换技术
网络地址转换(Network Address Translator,NAT)技术是将IPv4地址和IPv6地址分别看作内部地址和全局地址,或者相反。例如,内部的IPv4主机要和外部的IPv6主机通信时,在NAT服务器中将IPv4地址(相当于内部地址)变换成IPv6地址(相当于全局地址),服务器维护一个IPv4与IPv6地址的映射表。反之,当内部的IPv6主机和外部的IPv4主机进行通信时,则IPv6主机映射成内部地址,IPv4主机映射成全局地址。NAT技术可以解决IPv4主机和IPv6主机之间的互通问题


擦肩而过的概率