下一代网际协议IPv6

下一代网际协议IPv6

一、解决 IP 地址耗尽的措施

  • 从计算机本身发展以及从因特网规模和网络传输速率来看,现在 IPv4 已很不适用。
  • 最主要的问题就是 32 位的 IP 地址不够用。

在 2019/11/25 UTC+1 15:35 时,一封来自欧洲 RIPE NCC 的邮件中得到确认:全球的IPv4地址已经彻底耗尽。

  • 要解决 IP 地址耗尽的问题的措施:
    • 采用无类别编址 CIDR,使 IP 地址的分配更加合理。
    • 采用网络地址转换 NAT 方法以节省全球 IP 地址。
    • 采用具有更大地址空间的新版本的 IP 协议 IPv6。

二、IPv6 的基本首部

2.1.IPv6的主要变化

  • 更大的地址空间。IPv6 将地址从 IPv4 的 32 位 增大到了 128 位。
  • 扩展的地址层次结构。
  • 灵活的首部格式。
  • 改进的选项。
  • 允许协议继续扩充。
  • 支持即插即用(即类似DHCP自动配置)
  • 支持资源的预分配。

2.2.IPv6 数据报的首部

  • IPv6 将首部长度变为固定的 40 字节,称为基本首部(base header)。
  • 将不必要的功能取消了,首部的字段数减少到只有 8 个。
  • 取消了首部的检验和字段,加快了路由器处理数据报的速度。
  • 在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部。
  • 所有的扩展首部和数据合起来叫做数据报的有效载荷(payload)或净负荷

2.3.IPv6 数据报的一般形式

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2.4.IPv6基本首部的8个字段

  • 版本(version)—— 4 位。它指明了协议的版本,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。

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  • 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, “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(所有扩展首部都算在有效载荷之内),其最大值是 64 KB。

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  • 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,就要将此数据报丢弃。

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  • 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。

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三、IPv6 的扩展首部

3.1.扩展首部及下一个首部字段

  • IPv6 把原来 IPv4 首部中选项的功能都放在扩展首部中,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(只有一个首部例外,即逐跳选项扩展首部)。
  • 这样就大大提高了路由器的处理效率
  • 无扩展首部:

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  • 有扩展首部:

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**六种扩展首部 **

  • 逐跳选项;
  • 路由选择;
  • 分片;
  • 鉴别;
  • 封装安全有效载荷;
  • 目的站选项 ;

3.2.扩展首部举例:分片首部

  • IPv6 把分片限制交由源站来完成。源站可以采用最小 MTU(1280字节),或者在发送数据前完成路径最大传送单元发现(Path MTU Discovery),以确定沿着该路径到目的站的最小 MTU。
  • 分片扩展首部的格式如下:

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  • IPv6 数据报的有效载荷长度为 3000 字节。下层的以太网的最大传送单元 MTU 是 1500 字节。分成三个数据报片,两个 1400 字节长,最后一个是 200 字节长。 数据报分为以下形式。

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**用隧道技术来传送长数据报 **

  • 当路径途中的路由器需要对数据报进行分片时,就创建一个全新的数据报,然后将这个新的数据报分片,并在各个数据报片中插入扩展首部和新的基本首部。
  • 路由器将每个数据报片发送给最终的目的站,而在目的站将收到的各个数据报片收集起来,组装成原来的数据报,再从中抽取出数据部分。

四、IPv6 的地址空间

4.1.地址的类型与地址空间

IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一:

  • 单播(unicast) 单播就是传统的点对点通信。
  • 多播(multicast) 多播是一点对多点的通信。
  • 任播(anycast) 这是 IPv6 增加的一种类型。任播的目的站是一组计算机,但数据报在交付时只交付其中的一个,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
  • IPv6 地址是分配给结点上面的接口。
    • 一个接口可以有多个单播地址。
    • 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

  • IPv6的 128 位地址每 16 位 用一个十六进制值表示,各值之间用冒号分隔,一共有8个十六进制数。

    如:68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF;

    而IPv4则为 32 位的地址每 8 位用一个十六进制值表示,一共有4个十六进制数。

  • 零压缩(zero compression),即一连串连续的零可以为一对冒号所取代。

    如:FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以写成:FF05::B3

点分十进制记法的后缀法

  • 如:0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 使用零压缩即可得出: ::128.10.2.1 。

  • CIDR 的斜线表示法仍然可用。

    如:60 位的前缀 12AB00000000CD3 可记为:

    ​ 12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60;

    或 12AB::CD30:0:0:0:0/60;

    或 12AB:0:0:CD30::/60;

4.2.地址空间的分配

IPv6 将 128 位地址空间分为两大部分。

  • 第一部分是可变长度的类型前缀,它定义了地址的目的;
  • 第二部分是地址的其余部分,其长度也是可变的;

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4.3.特殊地址

IPv6具有比IPv4更复杂的IP地址结构。 IPv6已经为特殊目的保留了几个地址和地址符号。 参见下表:

IPv6 Address Meaning
::/ 128 Unspecified Address
::/ 0 Default Route
::1 / 128 Loopback Address
  • 未指明地址 :如表所示,地址0:0:0:0:0:0:0:0/128是 16 字节的全 0 地址,不指定任何内容,称为未指定地址。 简化后,所有的0被压缩为:: / 128。
  • 默认路由:在IPv4中,地址0.0.0.0与网络掩码0.0.0.0表示默认路由。 相同的概念也适用于IPv6,地址0:0:0:0:0:0:0:0,网络掩码全0表示默认路由。 应用IPv6规则后,此地址压缩为:: / 0。
  • 环回地址: IPv4中的环回地址由127.0.0.1到127.255.255.255系列表示。 但在IPv6中,只有0:0:0:0:0:0:0:1/128表示环回地址。 环回地址后,可以表示为:: 1/128。
  • 基于 IPv4 的地址 前缀为 0000 0000 保留一小部分地址作为与 IPv4 兼容的。
  • 本地链路单播地址 : 它仅供于在网段,或广播域中的主机相互通信使用。这类主机通常不需要外部互联网服务,仅有主机间相互通讯的需求。IPv4链路本地地址定义在169.254.0.0/16地址块。 IPv6定义在fe80::/10地址块。

**前缀为 0000 0000 的地址 **

  • 前缀为 0000 0000 是保留一小部分地址与 IPv4 兼容的,这是因为必须要考虑到在比较长的时期 IPv 4和 IPv6 将会同时存在,而有的结点不支持 IPv6。
  • 因此数据报在这两类结点之间转发时,就必须进行地址的转换。

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4.4.全球单播地址的等级结构

IPv6 扩展了地址的分级概念,使用以下三个等级:

(1) 全球路由选择前缀,占 48 位。

(2) 子网标识符,占16 位。

(3) 接口标识符,占 64 位。

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五、从 IPv4 向 IPv6 过渡

5.1.概述

  • 向 IPv6 过渡只能采用逐步演进的办法,同时,还必须使新安装的 IPv6 系统能够向后兼容。
  • IPv6 系统必须能够接收和转发 IPv4 分组,并且能够为 IPv4 分组选择路由。
  • 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)装有两个协议栈,一个 IPv4 和一个 IPv6。

5.2.使用双协议栈从 IPv4 到 IPv6 的过渡

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5.3使用隧道技术从 IPv4 到 IPv6 过渡

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