IPv6

IPv6 的诞生背景

IPv4 是在20世纪70年代末期设计的，其IPv4地址的设计存在以下缺陷：

• IPv4 的设计者最初并没有想到该协议会在全球范围内广泛使用因此将IPv4地址的长度规定为他们认为足够长的32比特，

• IPv4 地址早期的编址方法（分类的IPv4地址和划分子网的IPv4地址）也不够合理，造成 IPv4 地址资源的浪费。

主要优势

如果没有 网络地址转换 NAT 技术 的广泛应用，IPv4 早已停止发展。然而，NAT 仅仅是为了延长 IPv4 使用寿命而采取的权宜之计，解决 IPv4 地址耗尽的根本措施就是采用具有更大地址空间（IP地址的长度为128比特）的新版本IP，即IPv6。但到目前为止，IPv6还只是草案标准阶段 [RFC2460，RFC4862，RFC4443]

IPv6引进的主要变化

IPv6（Internet Protocol version 6）是互联网上的下一代 IP 协议，用于解决 IPv4 地址空间有限的问题。

• 更大的地址空间：相比 IPv4 的 32 位地址，IPv6 采用了 128位地址空间，提供了大量可用的 IP 地址。在采用合理编址方法的情况下，在可预见的未来是不会用完的。

• 扩展的地址层次结构：可划分为更多的层次，这样可以更好地反映出因特网的拓扑结构，使得对寻址和路由层次的设计更具有灵活性。

• 灵活的首部格式：与IPv4首部并不兼容。IPv6定义了许多可选的的扩展首部，不仅可提供比IPv4更多的功能，还可以提高路由器的处理效率，因为路由器对逐跳扩展首部外的其他扪展首部都不进行处理。

• 改进的选项：IPv6允许分组包含有选项的控制信息，因而可以包含一些新的选项。然而IPv4规定的选项却是固定不变的。

• 允许协议继续扩充：这一点很重要，因为技术总是在不断地发展，而新的应用也会层出不固定不变的。

• 支持即插即用(即自动配置)：IPv6支持主机或路由器自动配置IPv6地址及其他网络配置参数。因此IPv6不需要使用DHCP

• 支持资源的预分配：IPv6能为实时音视频等要求保证一定带宽和时延的应用，提供更好的服务质量保证。

IPv6数据报的基本首部

• 所有的扩展首部并不属于IPv6数据报的首部，它们与其后面的数据部分合起来构成有效载荷（payload，也称为净负荷）

• 通信量类字段：长度为8比特，该字段用来区分不同的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。

• 流标号字段：长度为20比特。IPv6提出了流的抽象概念。

  “流”就是因特网上从特定源点到特定终点(单播或多播)的一系列IPv6数据报（如实时音视频数据的传送），而在这个“流”所经过的路径上的所有路由器都保证指明的服务质量。

  所有属于同一个流的IPv6数据报都具有同样的流标号。换句话说，流标号用于资源分配。

  流标号对于实时音视频数据的传送特别有用，但对于传统的非实时数据，流标号则没有用处，把流标号字段的值置为0即可。

• 有效载荷长度字段：长度为16比特，它指明IPv6数据报基本首部后面的有效载荷(包括扩展首部和数据部分)的字节数量。该字段以字节为单位，最大取值为 65535，IPv6数据报基本首部后面的有效载荷的最大长度为 65535 字节。

• 下一个首部字段：长度为8比特。该字段相当于IPv4数据报首部中的协议字段或可选字段。

  当IPv6数据报没有扩展首部时，该字段的作用与IPv4的协议字段一样，它的值指出了IPv6数据报基本首部后面的数据是何种协议数据单元PDU。如取值为 6 时，则数据载荷部分是 TCP 报文段；取值为 17，则有效载荷部分是 UDP 用户数据报。

  当 IPv6 数据报基本首部后面带有扩展首部时，该字段的值就标识后面第一个扩展首部的类型。

  

• 跳数限制字段：长度为8比特。该字段用来防止IPv6数据报在因特网中永久兜圈。

  源点在每个 IPv6 数据报发出时即设定某个跳数限制(最大255跳)。每个路由器在转发 IPv6 数据报时，要先把跳数限制字段中的值减1。当跳数限制的值为 0 时，就把这个 IPv6 数据报丢弃(即不转发)。

  该字段的作用与IPv4数据报首部中的生存时间TTL字段完全一样。IPv6将名称改为跳数限制后可使名称与作用更加一致。

• 源地址字段和目的地址字段：长度都为128比特。分别用来填写IPv6数据报的发送端的IPv6地址和接收端的IPv6地址。

IPv6数据报首部与IPv4数据报首部的对比

• IPv6将IPv4数据报首部中不必要的功能取消了，这使得IPv6数据报基本首部中的字段数量减少到只有8个

• 由于IPv6地址的长度扩展到了128比特，因此使得IPv6数据报基本首部的长度反而增大到了40字节，比IPv4数据报首部固定部分的长度(20字节)增大了20字节。

• 取消了首部长度字段，IPv6数据报的首部长度是固定的40字节。

• 取消了区分服务(服务类型)字段，IPv6数据报首部中的通信量类和流标号字段实现了区分服务字段的功能。

• 取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。IPv6数据报的首部长度是固定的40字节，只有其后面的有效载荷长度是可变的。

• 取消了标识、标志和片偏移字段，这些功能已包含在IPv6数据报的分片扩展首部中

• 把生存时间TTL字段改称为跳数限制字段，这样名称与作用更加一致。

• 取消了协议字段，改用下一个首部字段。

• 取消了首部检验和字段，这样可以加快路由器处理IPv6数据报的速度。

• 取消了选项字段，改用扩展首部来实现选项功能。

IPv6数据报的拓展首部

IPv4数据报如果在其首部中使用了选项字段，则在数据报的整个传送路径中的全部路由器，都要对选项字段进行检查，这就降低了路由器处理数据报的速度。

实际上，在路径中的路由器对很多选项是不需要检查的。因此，为了提高路由器对数据报的处理效率，IPv6把原来IPv4首部中的选项字段都放在了扩展首部中，由路径两端的源点和终点的主机来处理，而数据报传送路径中的所有路由器都不处理这些扩展首部(除逐跳选项扩展首部)。

[RFC 2460] 中定义了以下六种扩展首部:

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

每一个扩展首部都由若干个字段组成，它们的长度也各不相同。所有扩展首部中的第一个字段，都是8比特的下一个首部字段。该字段的值指出在该扩展首部后面是何种扩展首部。当使用多个扩展首部时，应按以上的先后顺序出现。

IPv6地址

IPv6地址空间大小

在IPv6中，每个地址占128个比特。IPv6地址空间大小为 $2^{128}(大于3.4\times 10^{38})$

如果整个地球表面(包括陆地和水面)都覆盖着需要IPv6地址的通信设备，那么IPv6允许每平方米拥有 $7\times 10^{23}$ 个IPv6地址。

如果IPv6地址分配速率是每微秒分配100万个IPv6地址，则需要$10^{19}$年的时间才能将所有可能的地址分配完毕。

很显然，这样巨大的地址空间在采用合理编址方法的情况下，在可预见的未来是不会用完的。

IPv6地址的表示方法

IPv6 地址的表示形式是将每16比特分为1组，以 8组16进制数 表示，每组使用冒号（:）分隔（冒号十六进制记法），例如 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334（不区分大小写）。

为了简化地址表示，IPv6还引入了一些缩写规则，如 “左侧零”省略 和 “连续零”压缩 。

• “左侧零”省略：指两个冒号间的十六进制数中最前面的一串0可以省略不写

• “连续零”压缩：指一连串连续的 0 可以用一对冒号取代，即连续的 0 组简写为“::”，例如 2001:db8::1。

• 在一个IPv6地址中只能使用一次“连续零”压缩，否则会导致歧义。

使用多次“连续零”压缩：

只使用一次“连续零”压缩，并使用“左侧零”省略：

冒号十六进制记法还可结合点分十进制的后缀。在IPv4向IPv6过渡阶段非常有用：

CIDR的斜线表示法在IPv6中仍然可用：

IPv6地址的分类

IPv6数据报的目的地址有三种基本类型:

• 单播(unicast)：传统的点对点通信

• 多播(multicast)：一点对多点的通信。数据报发送到一组计算机中的每一个。IPv6没有采用广播的术语，而将广播看作多播的一个特例。

• 任播(anycast)：这是IPv6新增的一种类型。任播的终点是一组计算机，但数据报只交付其中的一个，通常是按照路由算法得出的距离最近的一个

[RFC 4291] 对IPv6地址进行了分类:

• 未指明地址

  • 128个比特为“全0”的地址，可缩写为两个冒号 “::”

  • 该地址不能用作目的地址，只能用于还有配置到一个标准IPv6地址的主机用作源地址

  • 未指明地址仅有一个

• 环回地址

  • 最低比特为1，其余127个比特为“全0”，即 0:0:0:0:0:0:0:1，可缩写为 ::1。

  • 该地址的作用与IPv4的环回地址相同。

  • IPv6的环回地址只有一个

• 多播地址

  • 最高8比特为“全1”的地址，可记为 FF00::/8 .

  • IPv6多播地址的功能与IPv4多播地址相同。

  • 这类地址占IPv6地址空间的1/256。

• 本地链路单播地址

  • 最高 10 比特为 1111111010 的地址，可记为 FE80::/10。

  • 连接在这种网络上的主机即使用户网络没有连接到因特网，但仍然可以使用TCP/IP协议。都可以使用本地链路单播地址进行通信，但不能和因特网上的其他主机通信。

  • 这类地址占IPv6地址空间的1/1024。

• 全球单播地址

  • 全球单播地址是使用得最多的一类地址。

  • IPv6全球单播地址采用三级结构，这是为了使路由器可以更快地查找路由。

  

从IPv4向IPv6过渡

因特网上使用IPv4的路由器的数量太大，要让所有路由器都改用IPv6并不能一蹴而就。因此，从IPv4转变到IPv6只能采用逐步演进的办法。

另外，新部署的IPv6系统必须能够向后兼容，也就是IPv6系统必须能够接收和转发IPv4数据报，并且能够为IPv4数据报选择路由

有两种由IPv4向IPv6过渡的策略：使用双协议栈、使用隧道技术
相关文档为 [RFC2473，RFC2529，RFC 2893，RFC 3056，RFC 4038，RFC 4213]。

使用双协议栈

双协议栈（Dual Stack）是指在完全过渡到IPv6之前，使一部分主机或路由器装有IPv4和IPv6两套协议栈。

双协议栈主机或路由器既可以和IPv6系统通信，又可以和IPv4系统通信：

• 双协议栈主机或路由器记为 IPv6/IPv4，表明它具有一个IPv6地址和一个IPv4地址

• 双协议栈主机在与IPv6主机通信时采用IPv6地址，而与IPv4主机通信时采用IPv4地址。

双协议栈主机通过域名系统DNS查询目的主机采用的IP地址：

• 若 DNS 返回的是 IPv4 地址，则双协议栈的源主机就使用 IPv4 地址

• 若 DNS 返回的是 IPv6 地址，则双协议栈的源主机就使用 IPv6 地址

IPv6数据报中的流标号字段无法转换为IPv4数据报中的内容，IPv4数据报转换为IPv6数据报时也无法将流标号恢复，这种信息的损失是使用首部转换方法所不能避免的。

使用隧道技术

隧道技术(Tunneling)的核心思想是：

1. 当IPv6数据报要进入IPv4网络时，将IPv6数据报重新封装成IPv4数据报，即整个IPv6数据报成为IPv4数据报的数据载荷。

2. 封装有IPv6数据报的IPv4数据报在IPv4网络中传输。

3. 当IPv4数据报要离开IPv4网络时，再将其数据载荷（即原来的IPv6数据报）取出并转发到IPv6网络。

要使双协议栈路由器 R4 知道 IPv4 数据报的数据载荷是 IPv6 数据报，则IPv4数据报首部中协议字段的值必须设置为41.

使用隧道技术就好像在路由器 R1 和 R4 之间，为 IPv6 数据报的传送打通了一条专用的隧道。

网际控制报文协议 ICMPv6

由于IPv6与IPv4一样，都不确保数据报的可靠交付，因此IPv6也需要使用 网际控制报文协议ICMP 来向发送IPv6数据报的源主机反馈一些差错信息，相应的 ICMP 版本为 ICMPv6。

ICMPv6 比 ICMPv4 要复杂得多，它 合并了原来的地址解析协议ARP 和 网际控制报文协议ICMP 的功能。因此与 IPv6 配套使用的网际层协议就只有 ICMPv6 这一个协议。

ICMPv6报文的封装

ICMPv6 报文需要封装成 IPv6 数据报进行发送

若 IPv6 数据报的有效载荷中，包含有扩展首部，在扩展首部之后封装的是ICMPV6报文，则在ICMPv6 报文前面的那个扩展首部中的下一个首部字段的值必须设置为58，表明该扩展首部后面是 ICMPv6 报文

ICMPv6报文的分类

ICMPv6 报文可被用来报告差错、获取信息、探测邻站 或 管理多播通信。

在对 ICMPv6 报文进行分类时，不同的 RFC 文档使用了不同的策略：

在 [RFC 2463] 中定义了六种类型的 ICMPv6 报文
在 [RFC 2461] 中定义了五种类型的 ICMPv6 报文
在 [RFC 2710] 中定义了三种类型的 ICMPv6 报文