IPv6地址

前言

  常用的IP协议版本有IPv4和IPv6，前面介绍了IPv4地址，本文介绍IPv6地址。IPv6是为了解决32位IPv4地址空间已经分配殆尽的问题，尽管NAT技术和无分类编址都能缓解这个问题，但这些终究是治标不治本的方法，所以IPv6它是从根本上解决地址耗尽的问题，即增加IP地址的字节长度。

1 IPv6数据报的组成

  IPv6数据报由基本首部和有效载荷两大部分组成。
  有效载荷由0个或多个扩展首部和数据部分组成，扩展首部相当于IPv4数据报首部的可变部分，用于扩展IPv6数据报的功能。

2 IPv6的基本首部

  (1) 版本：协议版本，对IPv6字段是6。
  (2) 通信量类：为了区分不同IPv6数据报的类别或优先级。
  (3) 流标号：所有属于同一个流的数据报都具有同一个流标号，类似于IP数据报的标识字段。例如实时的音频或视频的传输会被当作一个流，它们的数据报的流标号就是相同，但是对于传统的电子邮件或非实时数据，流标号就没有什么用。
  (4) 有效载荷长度：扩展首部和数据长度之和，最大为64KB（65535位）。
  (5) 跳数限制：用来防止数据报在网络中无限期存在，相当于IP数据报中的生存时间字段，最大跳数为255跳。
  (6) 源地址和目的地址：各占128位。
  (7) 下一个首部：它相当于IPv4的协议字段或可选字段。

  1) 如果IPv6数据报没有扩展首部，该字段指出了数据报的数据部分所使用的协议，网络层根据字段的值就知道将数据报交付给IP层的哪一个协议，如6表示TCP协议，17表示UDP协议。
  2) 如果有扩展首部，该字段的值就标识有效载荷中第一个扩展首部的类型，第一个扩展首部中也有“下一个首部”这个字段，它表示第二扩展首部的类型....最后一个扩展首部的“下一个首部”字段的值表示数据部分所使用的协议。

3 IPv4和IPv6比较

  (1) IPv6地址占16字节（128位），IPv4地址占4字节（32位）。
  (2) IPv6基本首部长度为固定40字节，IPv4首部不一定固定，但是必须是4B的整数倍。
  (3) IPv6将IPv4的可选字段移出了首部，变成了扩展部分放在有效载荷部分，路由器都不处理这些扩展部分（逐跳选项扩展首部除外），提高了路由器的效率。

IPv4数据报如果在其首部使用了选项，那么沿着数据报传送的路径的每一个路由器都会对这些选项一一检查，这就降低了路由器处理数据报的速度，实际上很多数据是不需要检查的，因为不需要使用这些选项的信息。IPv6将首部的选项功能都放在了扩展首部中，并把扩展首部留给路径两端的源点和终点主机处理，路由器就不用处理了，大大提高了路由器的效率。

  (4) IPv6支持即插即用（自动配置），不需要DHCP协议（后面讲）。
  (5) IPv6只能在主机处分片，IPv4可以在路由器和主机处分片。
  (6) IPv6移除了校验和这个字段，减少了每一跳的处理时间。

4 IPv6地址的表示形式

  IPv6使用128个二进制位表示，即使使用点分十进制记法也有16个数，不够方便。所以，IPv6使用冒号十六进制记法表示IPv6的IP地址。
  冒号十六进制记法：将点分十进制的16个数，转换为十六进制，再将每两个十六进制中间添加冒号。

  当有一连串连续的0时可以使用用一对冒号取代——零压缩，如下图

  为了保证零压缩有一个不含混的解释，规定在任一地址中，只能使用一次零压缩。

5 IPv6的基本地址类型

  IPv6数据报的目的地址可以分类：单播、多播、任播

  (1) 单播：即点对点通信。可以作源地址也可以作为目的地址。
  (2) 多播：一对多通信，数据报发送到一组的计算机中的多个。IPv6没有广播的术语，而是将广播看作多播的一个特例。只能作为目的地址。
  (3) 任播：一对多中的一个，数据报终点是一组计算机，但是数据报只交付给其中一个，通常是距离最近的一个。可以作为目的地址。

6 IPv4向IPv6过渡

  由于IPv4和IPv6使用的IP地址格式不同，目前也不能同时撤除IPv4一律使用IPv6，所以如果有的主机使用IPv4的地址，有的使用IPv6地址，就需要有两种IP地址格式的过渡策略。
  过渡的策略通常有：双协议栈、隧道技术。

  6.1 双协议栈

  双协议栈技术就是指在一台设备上同时启用IPv4协议栈和IPv6协议栈。这样的话，这台设备既能和IPv4网络通信，又能和IPv6网络通信。

如果这台设备是一个路由器，那么这台路由器的不同接口上，分别配置了IPv4地址和IPv6地址，并可能分别连接了IPv4和IPv6网络。如果这台设备是一台主机，那么它将同时拥有IPv4地址和IPv6地址，并具备同时处理这两种协议的能力。

  6.2 隧道技术

  隧道技术的基本思想是：假设有两个IPv6的主机要使用IPv6数据报进行交互，但它们是经由中间的IPv4路由器互联的。将图中两台IPv6路由器之间的IPv4路由器的集合称为一个隧道。

  在隧道的发送端IPv6路由器将IPv6数据报整体作为一个IPv4数据报的数据部分，这样就将一个IPv6数据报封装成一个IPv4数据报，再发送给隧道的第一个路由器，隧道中的IPv4路由器完全不知道IPv4数据报自身就含有一个IPv6数据报，就像对待其他IPv4数据报一样。当IPv4数据报离开IPv4网络（隧道）时，再把数据部分即原来的IPv6数据报交给IPv6路由器，IPv6路由器从中取出IPv6数据报再发送到目的主机。

7 小结

  本文完