计算机网络-IPv6

1、IPv6基础

IPv4与IPv6的对比：

问题	IPv4的缺陷	IPv6的优势
地址空间	IPv4地址采用32比特标识，能提供的地址数量是43亿，分配很不均衡。针对IPv4的地址短缺问题，有几种解决方案：无类别域间路由CIDR（Classless Inter-Domain Routing）和网络地址转换NAT（Network Address Translator）。	IPv6地址采用128比特标识，理论上可以拥有（43亿×43亿×43亿×43亿）个地址。
报文格式	IPv4报头包含可选字段Options，内容涉及Security、Timestamp、Record route等，这些Options可以将IPv4报头长度从20字节扩充到60字节。携带这些Options的IPv4报文对于性能是个很大的消耗	IPv6和IPv4相比，去除了IHL、Identifier、Flag、Fragment Offset、Header Checksum、 Option、Padding域，只增加了流标签域，更为简化，提高了处理效率。为了更好支持各种选项处理，提出了扩展头，新增选项时不必修改现有结构，理论上可以无限扩展，体现了优异的灵活性。
自动配置和重新编址	IPv4的自动配置和重新编址机制主要依靠DHCP协议。	IPv6协议内置支持通过地址自动配置方式使主机自动发现网络并获取IPv6地址，大大提高了内部网络的可管理性。
路由聚合	IPv4的分配规划问题造成许多地址分配不连续，不能有效聚合路由。这一问题促使设备制造商不断升级其产品，以提高路由寻址和转发性能。	巨大的地址空间使得IPv6可以方便的进行层次化网络部署。层次化的网络结构可以方便的进行路由聚合，提高了路由转发效率。
对端到端的安全的支持	固有的框架结构并不能支持端到端的安全。	网络层支持IPSec的认证和加密，支持端到端的安全。
对QoS（Quality of Service）的支持	QoS保障音视频实时转发。IPv4并没有专门的手段对QoS进行支持。	IPv6新增了流标记域，提供QoS保证。
对移动特性的支持	随着Internet的发展，移动IPv4出现了一些问题，比如：三角路由，源地址过滤等。	IPv6协议规定必须支持移动特性。和移动IPv4相比，移动IPv6使用邻居发现功能可直接实现外地网络的发现并得到转交地址，而不必使用外地代理。同时，利用路由扩展头和目的地址扩展头移动节点和对等节点之间可以直接通信，解决了移动IPv4的三角路由、源地址过滤问题，移动通信处理效率更高且对应用层透明。

IPv6地址结构：

IPv6地址总长度为128比特，通常分为8组，每组为4个十六进制数的形式，每组十六进制数间用冒号分隔。

一个IPv6地址可以分为如下两部分：

网络前缀：n比特，相当于IPv4地址中的网络ID
接口标识：128-n比特，相当于IPv4地址中的主机ID

对于IPv6单播地址来说，如果地址的前三bit不是000，则接口标识必须为64位；如果地址的前三位是000，则没有此限制。

接口标识可通过三种方法生成：手工配置、系统通过软件自动生成或IEEE EUI-64规范生成。其中，EUI-64规范自动生成最为常用。

FC00:0000:130F:0000:0000:09C0:876A:130B
压缩格式：
每组中的前导“0”都可以省略，所以上述地址可写为：FC00:0:130F:0:0:9C0:876A:130B。
地址中包含的连续两个或多个均为0的组，可以用双冒号“::”来代替，所以上述地址又可以进一步简写为：FC00:0:130F::9C0:876A:130B。
在一个IPv6地址中只能使用一次双冒号“::”，否则当计算机将压缩后的地址恢复成128位时，无法确定每个“::”代表0的个数。

IPv6地址分类：

IPv6地址分为单播地址、任播地址（Anycast Address）、组播地址三种类型。和IPv4相比，取消了广播地址类型，以更丰富的组播地址代替，同时增加了任播地址类型。

1、单播地址：

IPv6单播地址标识了一个接口，由于每个接口属于一个节点，因此每个节点的任何接口上的单播地址都可以标识这个节点。发往单播地址的报文，由此地址标识的接口接收。

常用的单播地址有：未指定地址、环回地址、全球单播地址、链路本地地址、唯一本地地址ULA（Unique Local Address）。

1、未指定地址

IPv6中的未指定地址即 0:0:0:0:0:0:0:0/128 或者::/128。表示某个接口或者节点还没有IP地址，源IP地址是::的报文不会被路由设备转发。

2、环回地址

IPv6中的环回地址即 0:0:0:0:0:0:0:1/128 或者::1/128。环回与IPv4中的127.0.0.1作用相同，主要用于设备给自己发送报文。该地址通常用来作为一个虚接口的地址（如Loopback接口）。

3、全球单播地址

全球单播地址是带有全球单播前缀的IPv6地址，其作用类似于IPv4中的公网地址。这种类型的地址允许路由前缀的聚合，从而限制了全球路由表项的数量。

全球单播地址由全球路由前缀（Global routing prefix）、子网ID（Subnet ID）和接口标识（Interface ID）组成。

全球路由前缀：由提供商（Provider）指定给一个组织机构，通常全球路由前缀至少为48位。目前已经分配的全球路由前缀的前3bit均为001。
Subnet ID：子网ID。组织机构可以用子网ID来构建本地网络（Site）。子网ID通常最多分配到第64位。子网ID和IPv4中的子网号作用相似。
Interface ID：接口标识。用来标识一个设备（Host）。

4、链路本地地址：

链路本地地址是IPv6中的应用范围受限制的地址类型，只能在连接到同一本地链路的节点之间使用。它使用了特定的本地链路前缀FE80::/10（最高10位值为1111111010），同时将接口标识添加在后面作为地址的低64比特。

当一个节点启动IPv6协议栈时，启动时节点的每个接口会自动配置一个链路本地地址（固定前缀+接口标识）。这种机制使得两个连接到同一链路的IPv6节点不需要做任何配置就可以通信。所以链路本地地址广泛应用于邻居发现，无状态地址配置。

以链路本地地址为源地址或目的地址的IPv6报文不会被路由设备转发到其他链路。

5、唯一本地地址：

唯一本地地址是另一种应用范围受限的地址，它仅能在一个站点内使用。由于本地站点地址的废除，唯一本地地址被用来代替本地站点地址。

唯一本地地址的作用类似于IPv4中的私网地址，任何没有申请到提供商分配的全球单播地址的组织机构都可以使用唯一本地地址。固定前缀为FC00::/7。

L：L标志位；值为1代表该地址为在本地网络范围内使用的地址；值为0被保留，用于以后扩展。
Global ID：全球唯一前缀；通过伪随机方式产生。
Subnet ID：子网ID；划分子网使用。
Interface ID：接口标识。

唯一本地地址具有如下特点：

具有全球唯一的前缀（虽然随机方式产生，但是冲突概率很低）。
可以进行网络之间的私有连接，而不必担心地址冲突等问题。
具有知名前缀（FC00::/7），方便边缘设备进行路由过滤。
如果出现路由泄漏，该地址不会和其他地址冲突，不会造成Internet路由冲突。
应用中，上层应用程序将这些地址看作全球单播地址对待。
独立于互联网服务提供商ISP（Internet Service Provider）。

2、组播地址：

IPv6的组播与IPv4相同，用来标识一组接口，一般这些接口属于不同的节点。一个节点可能属于0到多个组播组。发往组播地址的报文被组播地址标识的所有接口接收。例如组播地址FF02::1表示链路本地范围的所有节点，组播地址FF02::2表示链路本地范围的所有路由器。

组播地址由前缀，标志（Flag）字段、范围（Scope）字段以及组播组ID（Global ID）4个部分组成

被请求节点组播地址：

当一个节点具有了单播或任播地址，就会对应生成一个被请求节点组播地址，并且加入这个组播组。一个单播地址或任播地址对应一个被请求节点组播地址。主要用于邻居发现机制和地址重复检测功能。

IPv6中没有广播地址，也不使用ARP。但是仍然需要从IP地址解析到MAC地址的功能。在IPv6中，这个功能通过邻居请求NS（Neighbor Solicitation）报文完成。当一个节点需要解析某个IPv6地址对应的MAC地址时，会发送NS报文，该报文的目的IP就是需要解析的IPv6地址对应的被请求节点组播地址；只有具有该组播地址的节点会检查处理。

被请求节点组播地址由前缀FF02::1:FF00:0/104和单播地址的最后24位组成。

3、任播地址：

任播地址标识一组网络接口（通常属于不同的节点）。目标地址是任播地址的数据包将发送给其中路由意义上最近的一个网络接口。

任播地址设计用来在给多个主机或者节点提供相同服务时提供冗余功能和负载分担功能。目前，任播地址的使用通过共享单播地址方式来完成。将一个单播地址分配给多个节点或者主机，这样在网络中如果存在多条该地址路由，当发送者发送以任播地址为目的IP的数据报文时，发送者无法控制哪台设备能够收到，这取决于整个网络中路由协议计算的结果。这种方式可以适用于一些无状态的应用，例如DNS等。

IPv6中没有为任播规定单独的地址空间，任播地址和单播地址使用相同的地址空间。目前IPv6中任播主要应用于移动IPv6。

IPv6任播地址仅可以被分配给路由设备，不能应用于主机，不能作为源地址。

IPv6报文格式：

IPv6报文由IPv6基本报头、IPv6扩展报头以及上层协议数据单元三部分组成。

上层协议数据单元一般由上层协议报头和有效载荷构成，有效载荷可以是ICMPv6报文、TCP报文或UDP报文。

Version：版本号，长度为4bit。对于IPv6，该值为6。
Traffic Class：流类别，长度为8bit。等同于IPv4中的TOS字段，表示IPv6数据报的类或优先级，主要应用于QoS。
Flow Label：流标签，长度为20bit。IPv6中的新增字段，用于区分实时流量，不同的流标签+源地址可以唯一确定一条数据流，中间网络设备可以根据这些信息更加高效率的区分数据流。
Payload Length：有效载荷长度，长度为16bit。有效载荷是指紧跟IPv6报头的数据报的其它部分（即扩展报头和上层协议数据单元）。该字段只能表示最大长度为65535字节的有效载荷。如果有效载荷的长度超过这个值，该字段会置0，而有效载荷的长度用逐跳选项扩展报头中的超大有效载荷选项来表示。
Next Header：下一个报头，长度为8bit。该字段定义紧跟在IPv6报头后面的第一个扩展报头（如果存在）的类型，或者上层协议数据单元中的协议类型。
Hop Limit：跳数限制，长度为8bit。该字段类似于IPv4中的Time to Live字段，它定义了IP数据报所能经过的最大跳数。每经过一个设备，该数值减去1，当该字段的值为0时，数据报将被丢弃。
Source Address：源地址，长度为128bit。表示发送方的地址。
Destination Address：目的地址，长度为128bit。表示接收方的地址。

ICMPv6：

ICMPv6（Internet Control Message Protocol for the IPv6）是IPv6的基础协议之一。

在IPv4中，Internet控制报文协议ICMP（Internet Control Message Protocol）向源节点报告关于向目的地传输IP数据包过程中的错误和信息。它为诊断、信息和管理目的定义了一些消息，如：目的不可达、数据包超长、超时、回应请求和回应应答等。在IPv6中，ICMPv6除了提供ICMPv4常用的功能之外，还是其它一些功能的基础，如邻接点发现、无状态地址配置（包括重复地址检测）、PMTU发现等。

ICMPv6的协议类型号（即IPv6报文中的Next Header字段的值）为58。

Type：表明消息的类型，0至127表示差错报文类型，128至255表示消息报文类型。
Code：表示此消息类型细分的类型。
Checksum：表示ICMPv6报文的校验和。

Path MTU：

在IPv4中，报文如果过大，必须要分片进行发送，所以在每个节点发送报文之前，设备都会根据发送接口的最大传输单元MTU（Maximum Transmission Unit）来对报文进行分片。但是在IPv6中，为了减少中间转发设备的处理压力，中间转发设备不对IPv6报文进行分片，报文的分片将在源节点进行。当中间转发设备的接口收到一个报文后，如果发现报文长度比转发接口的MTU值大，则会将其丢弃；同时将转发接口的MTU值通过ICMPv6报文的“Packet Too Big”消息发给源端主机，源端主机以该值重新发送IPv6报文，这样带来了额外流量开销。PMTU发现协议可以动态发现整条传输路径上各链路的MTU值，减少由于重传带来的额外流量开销。

PMTU协议是通过ICMPv6的Packet Too Big报文来完成的。首先源节点假设PMTU就是其出接口的MTU，发出一个试探性的报文，当转发路径上存在一个小于当前假设的PMTU时，转发设备就会向源节点发送Packet Too Big报文，并且携带自己的MTU值，此后源节点将PMTU的假设值更改为新收到的MTU值继续发送报文。如此反复，直到报文到达目的地之后，源节点就能知道到达目的地的PMTU了。

由于IPv6要求链路层所支持的最小MTU为1280，所以PMTU的值必须大于1280。

2、ipv6过渡技术

双栈技术

节点同时支持IPv4和IPv6协议栈。
IPv6 over IPv4隧道

过渡初期使用

通过隧道技术，使IPv6报文在IPv4网络中传输。
手动隧道包括IPv6 over IPv4手动隧道和IPv6 over IPv4 GRE隧道。
自动隧道包括IPv4兼容IPv6自动隧道、6to4隧道和ISATAP隧道

IPv4 over IPv6隧道

过渡后期使用
通过隧道技术，使IPv4报文在IPv6网络中传输

双栈协议

双栈协议指网络中的节点同时支持IPv4和IPv6协议栈，源节点根据目的节点的不同选用不同的协议栈，而网络设备根据报文的协议类型选择不同的协议栈进行处理和转发。双栈可以在一个单一的设备上实现，也可以是一个双栈骨干网。对于双栈骨干网，其中的所有设备必须同时支持IPv4/IPv6协议栈，连接双栈网络的接口必须同时配置IPv4地址和IPv6地址。

单协议栈和双协议栈结构示例如下：

双协议栈具有以下特点：

多种链路协议支持双协议栈
- 图中的链路层是以太网，在以太网帧上，如果协议ID的值为0x0800，IPv4报文，如果为0x86DD，IPv6报文。
多种应用支持双协议栈
- 多种应用（如DNS/FTP/Telnet等）支持双协议栈。上层应用（如DNS）可以选用TCP或UDP作为传输层的协议，但优先选择IPv6协议栈，而不是IPv4协议栈作为网络层协议。

3、ipv6邻居发现协议

邻居发现协议NDP（Neighbor Discovery Protocol）是IPv6协议体系中一个重要的基础协议。邻居发现协议替代了IPv4的ARP（Address Resolution Protocol）和ICMP路由器发现（Router Discovery），它定义了使用ICMPv6报文实现地址解析，跟踪邻居状态，重复地址检测，路由器发现以及重定向等功能。