深入解析下一代互联网协议：IPv6在网络架构中的应用与优势

IP 是互联网的核心协议。
互联网经过几十年的飞速发展&＃xff0c;到 2011 年 2 月&＃xff0c;IPv4 的 32 位地址已经耗尽。
ISP 已经不能再申请到新的 IP 地址块了。
我国在 2014 – 2015 年也逐步停止了向新用户和应用分配 IPv4 地址。
解决 IP 地址耗尽的根本措施就是采用具有更大地址空间的新版本的 IP&＃xff0c;即 IPv6。

IPv6 的基本首部

• IPv6 仍支持无连接的传送&＃xff0c;但将协议数据单元 PDU 称为分组。为方便起见&＃xff0c;本书仍采用数据报这一名词。
• 所引进的主要变化如下&＃xff1a;

1. 更大的地址空间。IPv6 将地址从 IPv4 的 32 位 增大到了 128 位。
2. 扩展的地址层次结构。
3. 灵活的首部格式。 IPv6定义了许多可选的扩展首部。
4. 改进的选项。 IPv6 允许数据报包含有选项的控制信息&＃xff0c;其选项放在有效载荷中。
5. 允许协议继续扩充。
6. 支持即插即用&＃xff08;即自动配置&＃xff09;。因此 IPv6 不需要使用 DHCP。
7. 支持资源的预分配。 IPv6 支持实时视像等要求&＃xff0c;保证一定的带宽和时延的应用。
8. IPv6 首部改为 8 字节对齐。首部长度必须是 8 字节的整数倍。原来的 IPv4 首部是 4 字节对齐。

IPv6 数据报的一般形式

IPv6 数据报由两大部分组成&＃xff1a;

• 基本首部 (base header)
• 有效载荷 (payload)。有效载荷也称为净负荷。有效载荷允许有零个或多个扩展首部 (extension header)&＃xff0c;再后面是数据部分。

IPv6 数据报的基本首部

IPv6 将首部长度变为固定的 40 字节&＃xff0c;称为基本首部。
把首部中不必要的功能取消了&＃xff0c;使得 IPv6 首部的字段数减少到只有 8 个。
IPv6 对首部中的某些字段进行了如下的更改&＃xff1a;

• 版本(version)—— 4 位。它指明了协议的版本&＃xff0c;对 IPv6 该字段总是 6。
• 通信量类(traffic class)—— 8 位。这是为了区分不同的 IPv6 数据报的类别或优先级。目前正在进行不同的通信量类性能的实验。
• 流标号(flow label)—— 20 位。 “流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报&＃xff0c; “流”所经过的路径上的路由器都保证指明的服务质量。所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标号。
• 有效载荷长度(payload length)—— 16 位。它指明 IPv6 数据报除基本首部以外的字节数&＃xff08;所有扩展首部都算在有效载荷之内&＃xff09;&＃xff0c;其最大值是 64 KB。
• 下一个首部(next header)—— 8 位。它相当于 IPv4 的协议字段或可选字段。
• 跳数限制(hop limit)—— 8 位。源站在数据报发出时即设定跳数限制。路由器在转发数据报时将跳数限制字段中的值减 1。当跳数限制的值为零时&＃xff0c;就要将此数据报丢弃。
• 源地址—— 128 位。是数据报的发送站的 IP 地址。
• 目的地址—— 128 位。是数据报的接收站的 IP 地址。

IPv6 的扩展首部

• IPv6 把原来 IPv4 首部中选项的功能都放在扩展首部中&＃xff0c;并将扩展首部留给路径两端的源站和目的站的主机来处理。
• 数据报途中经过的路由器都不处理这些扩展首部&＃xff08;只有一个首部例外&＃xff0c;即逐跳选项扩展首部&＃xff09;。
• 这样就大大提高了路由器的处理效率。

六种扩展首部

在 RFC 2460 中定义了六种扩展首部&＃xff1a;

1. 逐跳选项
2. 路由选择
3. 分片
4. 鉴别
5. 封装安全有效载荷
6. 目的站选项

IPv6 的地址

IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一&＃xff1a;

1. 单播 (unicast)&＃xff1a;传统的点对点通信。
2. 多播 (multicast)&＃xff1a;一点对多点的通信。
3. 任播 (anycast)&＃xff1a;这是 IPv6 增加的一种类型。任播的目的站是一组计算机&＃xff0c;但数据报在交付时只交付其中的一个&＃xff0c;通常是距离最近的一个。

结点与接口

• IPv6 将实现 IPv6 的主机和路由器均称为结点。
• 一个结点就可能有多个与链路相连的接口。
• IPv6 地址是分配给结点上面的接口的。

1. 一个接口可以有多个单播地址。
2. 其中的任何一个地址都可以当作到达该结点的目的地址。即一个结点接口的单播地址可用来唯一地标志该结点。

冒号十六进制记法

• 在 IPv6 中&＃xff0c;每个地址占 128 位&＃xff0c;地址空间大于 3.4  1038 。
• 为了使地址再稍简洁些&＃xff0c;IPv6 使用冒号十六进制记法(colon hexadecimal notation, 简写为 colon hex)。
• 每个 16 位的值用十六进制值表示&＃xff0c;各值之间用冒号分隔。例如&＃xff1a;
  68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF
• 在十六进制记法中&＃xff0c;允许把数字前面的 0 省略。例如把 0000 中的前三个 0 省略&＃xff0c;写成 1 个 0。

零压缩

• 冒号十六进制记法可以允许零压缩 (zero compression)&＃xff0c;即一连串连续的零可以为一对冒号所取代。
  FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可压缩为&＃xff1a;
  FF05::B3
• 注意&＃xff1a;在任一地址中只能使用一次零压缩。

点分十进制记法的后缀

• 冒号十六进制记法可结合使用点分十进制记法的后缀&＃xff0c;这种结合在 IPv4 向 IPv6 的转换阶段特别有用。
• 例如&＃xff1a;0:0:0:0:0:0:128.10.2.1
  再使用零压缩即可得出&＃xff1a; ::128.10.2.1
• CIDR 的斜线表示法仍然可用。
• 例如&＃xff1a;60 位的前缀 12AB00000000CD3 可记为&＃xff1a;
  12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60
  或 12AB::CD30:0:0:0:0/60 &＃xff08;零压缩&＃xff09;
  或 12AB:0:0:CD30::/60 &＃xff08;零压缩&＃xff09;

IPv6 地址分类

• 未指明地址

1. 这是 16 字节的全 0 地址&＃xff0c;可缩写为两个冒号“::”。
2. 这个地址只能为还没有配置到一个标准的 IP 地址的主机当作源地址使用。
3. 这类地址仅此一个。

• 环回地址

1. 即 0:0:0:0:0:0:0:1&＃xff08;记为 ::1&＃xff09;。
2. 作用和 IPv4 的环回地址一样。
3. 这类地址也是仅此一个。

• 多播地址

1. 功能和 IPv4 的一样。
2. 这类地址占 IPv6 地址总数的 1/256。

• 本地链路单播地址 (Link-Local Unicast Address)

1. 有些单位的网络使用 TCP/IP 协议&＃xff0c;但并没有连接到互联网上。连接在这样的网络上的主机都可以使用这种本地地址进行通信&＃xff0c;但不能和互联网上的其他主机通信。
2. 这类地址占 IPv6 地址总数的 1/1024。

• 全球单播地址

1. IPv6 的这一类单播地址是使用得最多的一类。
2. 曾提出过多种方案来进一步划分这 128 位的单播地址。
3. 根据 2006 年发布的草案标准 RFC 4291 的建议&＃xff0c; IPv6 单播地址的划分方法非常灵活。

从 IPv4 向 IPv6 过渡

向 IPv6 过渡只能采用逐步演进的办法&＃xff0c;同时&＃xff0c;还必须使新安装的 IPv6 系统能够向后兼容&＃xff1a;IPv6 系统必须能够接收和转发 IPv4 分组&＃xff0c;并且能够为 IPv4 分组选择路由。

两种向 IPv6 过渡的策略&＃xff1a;

• 使用双协议栈
• 使用隧道技术

双协议栈

• 双协议栈 (dual stack) 是指在完全过渡到 IPv6 之前&＃xff0c;使一部分主机&＃xff08;或路由器&＃xff09;装有两个协议栈&＃xff0c;一个 IPv4 和一个 IPv6。
• 双协议栈的主机&＃xff08;或路由器&＃xff09;记为 IPv6/IPv4&＃xff0c;表明它同时具有两种 IP 地址&＃xff1a;一个 IPv6 地址和一个 IPv4 地址。
• 双协议栈主机在和 IPv6 主机通信时是采用 IPv6 地址&＃xff0c;而和 IPv4 主机通信时就采用 IPv4 地址。
• 根据 DNS 返回的地址类型可以确定使用 IPv4 地址还是 IPv6 地址。

隧道技术

• 在 IPv6 数据报要进入 IPv4 网络时&＃xff0c;把 IPv6 数据报封装成为 IPv4 数据报&＃xff0c;整个的 IPv6 数据报变成了 IPv4 数据报的数据部分。
• 当 IPv4 数据报离开 IPv4 网络中的隧道时&＃xff0c;再把数据部分&＃xff08;即原来的 IPv6 数据报&＃xff09;交给主机的 IPv6 协议栈。
  

ICMPv6

• IPv6 也不保证数据报的可靠交付&＃xff0c;因为互联网中的路由器可能会丢弃数据报。
• 因此 IPv6 也需要使用 ICMP 来反馈一些差错信息。新的版本称为 ICMPv6。
• 地址解析协议 ARP 和网际组管理协议 IGMP 协议的功能都已被合并到 ICMPv6 中。
  

ICMPv6 报文的分类

• CMPv6 是面向报文的协议&＃xff0c;它利用报文来报告差错&＃xff0c;获取信息&＃xff0c;探测邻站或管理多播通信。
• ICMPv6 还增加了几个定义报文的功能及含义的其他协议。