2023-HCIA-Datacom保姆级学习笔记(十八)：IPv6原理与配置

一、专业术语

Flow Label-流标签

Hop Limit-跳数限制

GUA（Global Unicast Address）-全球单播地址

LLA（Link-Local Address）-链路本地地址

NDP（Neighbor Discovery Protocol)-邻居发现协议

DAD（Duplicate Address Detection)-重复地址检测

RS-路由器请求

RA-路由器通告

NS-邻居请求

NA-邻居通告

 

二、什么是IPv6?

1.背景

  随着Internet的扩张和新应用的不断推出，IPv4越来越显示出它的局限性。因为发展太快，IP地址空间耗尽的问题迫在眉睫。20世纪90年代，IETF推出NAT（Network Address Translation，网络地址转换）与CIDR（Classless Inter Domain Routing，无类别域间路由）等技术来推迟IPv4地址耗尽发生的时间点。但是这些过渡方案只能减缓地址枯竭的速度，并不能从根本上解决问题，因此我们引入IPv6技术。

 

2.概述

  IPv6（Internet Protocol Version 6，互联网协议第 6 版）是网络层协议的第二代标准协议，也被称为 IPng（IP Next Generation，下一代 IP），它所在的网络层提供了无连接的数据传输服务。

 

优势

 

表示方法

IPv6地址的长度为128 bit。一般用冒号分割为8段，每一段16 bit，每一段内用十六进制表示。

注：IPv6地址中的字母大小写不敏感，例如A等同于a。

与IPv4地址类似，IPv6也用“IPv6地址/掩码长度”的方式来表示IPv6地址。

缩写规则：

 

包头结构

  IPv6包头由一个IPv6基本包头（必须存在）和多个扩展包头（可能不存在）组成。

1）基本包头：提供报文转发的基本信息，会被转发路径上的所有设备解析。

IPv6基本包头字段解释如下：

Version：版本号，长度为4 bit。对于IPv6，该值为6。

Traffic Class：流类别，长度为8 bit。等同于IPv4中的ToS字段，表示IPv6数据包的类或优先级，主要应用于QoS。

Flow Label：流标签，长度为20 bit。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16 bit。有效载荷是指紧跟IPv6包头的数据包的其他部分（即扩展包头和上层协议数据单元）。

Next Header：下一个包头，长度为8 bit。该字段定义紧跟在IPv6包头后面的第一个扩展包头（如果存在）的类型，或者上层协议数据单元中的协议类型（类似于IPv4的Protocol字段）。

Hop Limit：跳数限制，长度为8 bit。该字段类似于IPv4中的Time to Live字段，它定义了IP数据包所能经过的最大跳数。每经过一个路由器，该数值减去1，当该字段的值为0时，数据包将被丢弃。

Source Address：源地址，长度为128 bit。表示发送方的地址。

Destination Address：目的地址，长度为128 bit。表示接收方的地址。

2）拓展包头：仅当需要路由器或目的节点做某些特殊处理时，才由发送方添加一个或多个扩展头

Extension Header Length：扩展包头长度，长度为8 bit。表示扩展包头的长度（不包含Next Header字段）。

Extension Header Data：扩展包头数据，长度可变。扩展包头的内容，为一系列选项字段和填充字段的组合。

 

补充：IPv6报文处理机制

 

地址分类

  根据IPv6地址前缀，可将IPv6地址分为为单播地址、组播地址和任播地址。

1）单播地址：标识一个接口，目的地址为单播地址的报文会被送到被标识的接口

网络前缀（Network Prefix）：n bit，相当于IPv4地址中的网络ID。

接口标识（Interface Identify）：（128-n）bit ，相当于IPv4地址中的主机ID，可通过三种方法生成：a.手工配置b.系统自动生成c.通过IEEE EUI-64规范生成,其中EUI-64规范最为常用，此规范将接口的MAC地址转换为IPv6接口标识。

注：常见的IPv6单播地址如全球单播地址、链路本地地址等，要求网络前缀和接口标识必须为64 bit。

 

常见单播地址：

GUA（Global Unicast Address，全球单播地址），也被称为可聚合全球单播地址。该类地址全球唯一，用于需要有互联网访问需求的主机，相当于IPv4的公网地址。

通常GUA的网络部分长度为64 bit，接口标识也为64 bit。

全局路由前缀：由提供商指定给一个组织机构，一般至少为45 bit。

子网ID：组织机构根据自身网络需求划分子网。

接口标识：用来标识一个设备（的接口）。

ULA（Unique Local Address，唯一本地地址）是IPv6私网地址，只能够在内网中使用。该地址空间在IPv6公网中不可被路由，因此不能直接访问公网。

唯一本地地址使用FC00::/7地址块，目前仅使用了FD00::/8地址段。FC00::/8预留为以后拓展用。

ULA虽然只在有限范围内有效，但也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）。

LLA（Link-Local Address，链路本地地址）是IPv6中另一种应用范围受限制的地址类型。LLA的有效范围是本地链路，前缀为FE80::/10。

LLA用于一条单一链路层面的通信，例如IPv6地址无状态自动配置、IPv6邻居发现等。

源或目的IPv6地址为链路本地地址的数据包将不会被转发到始发的链路之外，换句话说，链路本地地址的有效范围为本地链路。

每一个IPv6接口都必须具备一个链路本地地址。华为设备支持自动生成和手工指定两种配置方式。

2）组播地址：标识多个接口，目的地址为组播地址的报文会被送到被标识的所有接口

Flags：用来表示永久或临时组播组。

Scope：表示组播组的范围。

Group ID：组播组ID。

注：IPv6组播地址只可以作为IPv6报文的目的地址。

 

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。该地址主要用于邻居发现机制和地址重复检测功能。被请求节点组播地址的有效范围为本地链路范围。

 

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）

注：任播地址可以作为IPv6报文的源地址，也可以作为目的地址。

任播过程：

任播报文的发起方通常为请求某一服务（例如，Web服务）的主机。

任播地址与单播地址在格式上无任何差异，唯一的区别是一台设备可以给多台具有相同地址的设备发送报文。

优势：业务冗余；提供更优质的服务

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三、IPv6地址配置

1.主机和路由器的IPv6地址：

2.IPv6单播地址业务流程：

  一个接口在发送IPv6报文之前要经历地址配置、DAD、地址解析这三个阶段，NDP（Neighbor Discovery Protocol，邻居发现协议）扮演了重要角色。

 

NDP：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，邻居不可达性检测，重复地址检测，路由器发现，重定向以及ND代理等功能。

1)地址配置：

动态地址配置：IPv6支持地址有状态（stateful）和无状态（stateless）两种自动配置方式，通过ICMPv6 RA报文中的M标记（Managed Address Configuration Flag）和O标记（Other Stateful Configuration Flag）来控制终端自动获取地址的方式。

有状态地址配置（DHCPv6 ），M=1，O=1：

DHCPv6，IPv6客户端将从DHCPv6服务器端获取完整的128 bit IPv6地址，同时包括DNS、SNTP服务器等地址参数。

DHCPv6服务器端将会记录该地址的分配情况（这也是为什么被称为有状态）

无状态地址配置，M=0，O=0：

ICMPv6协议

使能了ICMPv6 RA功能的路由器会周期性的通告该链路上的IPv6地址前缀。

另一种情况，主机发送路由器查询（ICMPv6 RS）报文，路由器回复RA报文告知该链路IPv6地址前缀

 

2）DAD：无论通过何种方式配置了IPv6单播地址，主机或路由器都会：通过ICMPv6报文进行DAD；仅当DAD通过之后才会使用该单播地址

 

假设R1为已在线设备，IPv6地址为2001::FFFF/64。PC上线之后，也配置了相同的IPv6地址，在正式使用这个地址之前，PC会对此地址做DAD，过程如下:

1. PC向链路上以组播的方式发送一个NS报文，该NS的源IPv6地址为“::”，目的IPv6地址为要进行DAD的2001::FFFF对应的被请求节点组播地址，也就是FF02::1:FF00:FFFF。这个NS里包含着要做DAD的目标地址2001::FFFF。
2. 链路上的节点都会收到这个组播的NS报文，没有配置2001::FFFF的节点接口由于没有加入该地址对应的被请求节点组播组，因此在收到这个NS的时候默默丢弃。而R1在收到这个NS后，由于它的接口配置了2001::FFFF地址，因此接口会加入组播组FF02::1:FF00:FFFF，而此刻所收到的报文又是以该地址为目的地址，因此它会解析该报文，它发现对方进行DAD的目标地址与自己本地接口地址相同，于是立即回送一个NA报文，该报文的目的地址是FF02::1，也就是所有节点组播地址，同时在报文内写入目标地址2001::FFFF，以及自己接口的MAC地址。
3. 当PC收到这个NA后，它就知道2001::FFFF在链路上已经有人在用了，因此将该地址标记为Duplicate（重复的），该地址将不能用于通信。若未收到NA报文，则PC判断这个IPv6地址可以用，DAD机制有点类似于IPv4中的免费ARP检测重复地址。

 

3）地址解析：IPv6使用ICMPv6的NS和NA报文来取代ARP在IPv4中的地址解析功能。

假设PC想要解析R1的2001::2这个地址对应的MAC地址，详细过程如下：

1. PC将发送一个NS报文达到这个目的。这个NS报文的源地址是2001::1，目的地址则是2001::2对应的被请求节点组播地址。
2. R1接收此NS报文，根据报文内的源IPv6地址和源MAC，记录下PC这个邻居，同时根据自身的IPv6和MAC，回复单播NA报文。
3. PC收到此NA报文之后，获取其中的源IPv6地址和源MAC。这样双方都可以建立一条关于对方的邻居信息表项。

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四、IPv6典型配置举例

1.基本配置：

1.使能IPv6 .

[Huawei] ipv6

使能设备转发IPv6单播报文，包括本地IPv6报文的发送与接收。

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 enable

在接口视图下，在接口上使能该接口的IPv6功能。

2.配置 接口的链路本地地址

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address ipv6-address link-local

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address auto link-local

在接口视图下，通过手工或者自动的方式，配置接口的链路本地地址。

3.配置接口的全球单播地址

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address { ipv6-address prefix length| ipv6-adress/ prefix-length}

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address auto { global | dhcp }

在接口视图下，通过手工或者自动(有状态或无状态)的方式，配置接口的全球单播地址。

4.配置IPv6静态路由

[Huawei]ipv6 route-static dest-ipv6-address prefix-length { interface-type interface-number [ nexthop-ipv6-address ] | nexthop-ipv6-address } [ preference preference ]

6.查看邻居表项信息

[Huawei]display ipv6 neighbors

7.使能系统发布RA报文功能

[Huawei-GgabiEthernet0/0/0]undo ipv6 nd ra halt

默以情况下，华为路由器接口不发送(CICMPv6 RA报文,则该接口所连链链路上的其他设备天无法进行无状态地址自动配置.若想进行IPv6无状态地址配置,需要手工开启发送RA报文。

2.实例：配置一个小型的IPv6网络

1）实验拓扑

2）配置需求

a.R1和R2之间使用静态IPv6地址互联。

b.R2作为DHCPv6服务器给R3的GE0/0/0分配全球单播地址。

c.R4的GE0/0/0接口通过R2的RA进行无状态地址自动配置。

d.配置静态路由，实现各设备之间互访。

3）配置

a.

在R1、R2、 R3、R4全局和相关接口使能IPv6功能，同时自动生成链路本地地址(以R1配置为例)

[R1]ipv6

[R1]interface GigabitEthernet 0/0/0

[R1-GigabitEthernet0/0/0]ipv6 enable

[R1-GigabitEthernet0/0/0]ipv6 address auto link-local

在R1、R2相应接口配置静态IPv6全球单播地址

[R1]interface GigabitEthernet ,0/0/0

[R1-GigabitEthernet0/0/0]ipv6 address 2001:1 64

[R2]interface GigabitEthernet 1/0/0

[R2-GigabitEthernet1/0/0]ipv6 address 2001::2 64

[R2-GigabitEthernet1/0/0]interface GigabitEthernet 0/0/0

[R2-GigabitEthernet0/0/0]ipv6 address 2002::1 64

[R2-GigabitEthernet0/0/0]interface GigabitEthernet 0/0/1

[R2-GigabitEthernet0/0/1]ipv6 address 2003:1 64

b.

在R2上配置DHCPv6服务器功能，R3接口通过DHCPv6方式获取全球单播地址

[R2]dhcp. enable

[R2]dhcpv6 pool pool1

[R2-dhcp6-plopool]address prefix 202:/64

[R2]interface GigabitEthemet 0/0/0

[R2-GigabitEthernet0/0/0]dhcpv6 server pool1

[R3]dhcp enable

[R3]interface GigabitEthermet 0/0/0

[R3-GigabitEthernet0/0/0lipv6 address auto dhcp，

c.

在R2使能发布RA报文的功能，R4通过无状态地址配置的方

式获取地址

[R2]interface GigabitEthernet 0/0/1

[R2-GigabitEthernet0/0/1]undo ipv6 nd ra halt

[R4]interface GigabitEthernet 0/0/0

[R4-GigabitEthernet0/0/0]ipv6 address auto global

d.

在R4_上配置静态路由

[R4]ipv6 route-static 2001: 64 2003::1

[R4]ipv6 route-static 2002:: 64 2003::1

在R1.上配置聚合后的静态路由

[R1]ipv6 route-static 2002:: 15 2001::2

在R3_上配置默认路由

[R3]ipv6 route-static : 0 2002:1

五、总结

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