IPv6

IPv6 编址

从IPv4到IPv6最显著的变化就是网络地址的长度。RFC 2373 和RFC 2374定义的IPv6地址,就像下面章节所描述的,有128位长;IPv6地址的表达形式一般采用32个十六进制数。

IPv6中可能的地址有2128 ≈ 3.4×1038个。也可以想象为1632个因为32位地址每位可以取16个不同的值(参考组合数学)。

在很多场合,IPv6地址由两个逻辑部分组成:一个64位的网络前缀和一个64位的主机地址,主机地址通常根据物理地址自动生成,叫做EUI-64(或者64-位扩展唯一标识)

IPv6位址表示

IPv6位址为128位元长度,但通常写做8组每组四个十六进制的形式。例如:

2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344

是一个合法的IPv6位址。

如果四个数字都是零,可以被省略。例如:

2001:0db8:85a3:0000:1319:8a2e:0370:7344

等同于

2001:0db8:85a3::1319:8a2e:0370:7344

遵从这些规则,如果因为省略而出现了两个以上的冒号的话,可以压缩为一个,但这种零压缩在位址中只能出现一次。因此:

2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab
2001:0DB8:0000:0000:0000::1428:57ab
2001:0DB8:0:0:0:0:1428:57ab
2001:0DB8:0::0:1428:57ab
2001:0DB8::1428:57ab

都是合法的地址,并且他们是等价的。但

2001::25de::cade

是非法的。(因为这样会使得搞不清楚每个压缩中有几个全零的分组)

同时前导的零可以省略,因此:

2001:0DB8:02de::0e13

等于

2001:DB8:2de::e13

如果这个位址实际上是IPv4的位址,后32位元可以用10进制数表示;因此:

        ffff:192.168.89.9 等价于::ffff:c0a8:5909,但不等价于::192.168.89.9 和::c0a8:5909。
        ffff:1.2.3.4格式叫做IPv4映射位址,是不建议使用的。而::1.2.3.4格式叫做IPv4一致位址。

IPv4 位址可以很容易的转化为IPv6格式。举例来说,如果IPv4的一个位址为135.75.43.52(十六进制为0x874B2B34),它可以被转化为 0000:0000:0000:0000:0000:0000:874B:2B34或者::874B:2B34。同时,还可以使用混合符号(IPv4- compatible address),则位址可以为::135.75.43.52。

IPv6 位址的分类

IPv6 位址可分为三种:[1]

    * 单播(unicast)位址

    单播位址标示一个网络接口。协定会把送往位址的封包投送给其接口。 IPv6 的单播位址可以有一个代表特殊位址名字的范畴,如 link-local 位址和唯一区域位址(ULA,unique local address)。

    * 任播(anycast)位址

    任播位址用于指定给一群接口,通常这些接口属于不同的节点。若封包被送到一个任播位址时,则会被转送到成员中的其中之一。通常会根据路由协定,选择 "最近" 的成员。任播位址通常无法轻易分别:它们拥有和正常单播位址一样的结构,只是会在路由协定中将多个节点加入网络中。

    * 多播(multicast)位址

    多播位址也被指定到一群不同的接口,送到多播位址的封包会被传送到所有的位址。多播位址由皆为一的字节起始,亦即:它们的前置为 FF00::/8 。其第二个字节的最后四个位元用以标明 "范畴" 。
    一般有 node-local(0x1)、link-local(0x2)、site-local(0x5)、organization-local(0x8)和 global(0xE)。多播位址中的最低 112 位元会组成多播群组识别码,不过因为传统方法是从MAC 位址产生,故只有群组识别码中的最低 32 位元有使用。定义过的群组识别码有用于所有节点的多播位址 0x1 和用于所有路由器的 0x2。
    另一个多播群组的位址为 "solicited-node 多播位址",是由前置 FF02::1:FF00:0/104 和剩余的群组识别码(最低 24 位元)所组成。这些位址允许经由邻居发现协议(NDP,Neighbor Discovery Protocol)来解译连结层位址,因而不用干扰到在区网内的所有节点。

特殊位址

IANA 维护官方的(英文)IPv6 位址空间列表。全域的单播位址的指定可在 RIR's 或 中找到(英文)GRH DFP pages。

IPv6 中有些位址是有特殊意涵的:

未指定位址

    * ::/128 - 所有位元皆为零的位址称作未指定位址。这个位址不可指定给某个网络接口,并且只有在主机尚未知道其来源 IP 时,才会用于软件中。路由器不可转送包含未指定位址的封包。

Link local 位址

    * ::1/128 - 是一种单播绕回位址。如果一个应用程式将封包送到此位址, IPv6 堆栈会转送这些封包绕回到同样的虚拟接口(相当于 IPv4 中的 127.0.0.1)。
    * fe80::/10 - 这些 link-local 位址指明,这些位址只在区域连线中是合法的,这有点类似于 IPv4 中的 169.254.0.0/16 。

唯一区域位域

    * fc00::/7 - 唯一区域位址(ULA,unique local address)只可在一群网站中绕送。这定义在 RFC 4193 中,是用来取代 site-local 位域。这位址包含一个 40 位元的伪随机数,以减少当网站合并或封包误传到网络时碰撞的风险。这些位址除了只能用于区域外,还具备全域性的范畴,这点违反了唯一区域位域所取代的 site-local 位址的定义。

多播位址

    * ff00::/8 -这个前置表明定义在 "IP Version 6 Addressing Architecture"(RFC 4291)中的多播位址[2]。其中,有些位址已用于指定特殊协议,如ff0X::101 将到达所有区域的 NTP 服务器(RFC 2375)。

Solicited-node 多播位址

    * ff02::1:FFXX:XXXX - XX:XXXX 为相对应的单播或任播位址中的三个最低的字节。

IPv4 转译位址

    * ::ffff:0:0/96 - 用于IPv4映射位址(参见以下的 Transition mechanisms)。
    * 2001::/32 - 用于 Teredo tunneling 。
    * 2002::/16 - 用于 6to4 。

ORCHID

    * 2001:10::/28 - ORCHID (Overlay Routable Cryptographic Hash Identifiers) (RFC 4843)。这些是不可绕送的 IPv6 位址,用于加密杂凑识别。

文件

    * 2001:db8::/32 - 这前置用于文件(RFC 3849)。这些位址应用于 IPV6 位址的范例中,或描述网络架构。

遭舍弃或删除的用法

    * ::/96 - 这个前置曾用于IPv4 相容位址,现已删除。
    * fec0::/10 - 这个 site-local 前置指明这位址只在组织内合法。它已在 2004 年九月的 RFC3879 中拾,并且新系统不应该支援这类型的位址。

IPv6 封包
IPv6封包由两个主要部分组成:头部和负载。

包头是包的前40字节并且包含有源和目的地址,协议版本,通信类别(8位元,包优先级),流标记(20位元,QoS服务质量控制),负载长度(16位),下一个头部(用于向后兼容性),和跳段数限制(8位元,生存时间,相当于IPv4中的TTL)。后面是负载,至少1280字节长,或者在可变MTU(最大传输单元)大小环境中这个值为1500字节。负载在标准模式下最大可为65535字节,或者在扩展包头的"jumbo payload"选项进行设置。

IPv6曾有两个有着细微差别的版本;在RFC 1883中定义的原始版本(现在废弃)和RFC 2460中描述的现在提议的标准版本。两者主要在通信类别这个选项上有所不同,它的位数由4位变为了8位。其他的区别都是微不足道的。

分段(Fragmentation)只在IPv6的主机中被处理。在IPv6中,可选项都被从标准头部中移出并在协议字段中指定,类似于IPv4的协议字段功能。

IPv6和域名系统

IPv6地址在域名系统中为执行正向解析表示为AAAA记录(所谓4A记录)(类似的IPv4表示为A记录A records);反向解析在ip6.arpa(原先ip6.int)下进行,在这里地址空间为半字节16进制数字格式。这种模式在RFC 3596给与了定义。

AAAA模式是IPv6结构设计时的两种提议之一。另外一种正向解析为A6记录并且有一些其他的创新像二进制串标签和DNAME记录等。RFC 2874和它的一些引用中定义了这种模式。

AAAA模式只是IPv6域名系统的简单概括,A6模式使域名系统中检查更全面,也因此更复杂:

    * A6记录允许一个IPv6地址在分散于多个记录中,或许在不同的区域;举例来说,这就在原则上允许网络的快速重编号。
    * 使用域名系统记录委派地址被DNAME记录(类似于现有的CNAME,不过是重命名整棵树)所取代。
    * 一种新的叫做比特标签的类型被引入,主要用于反向解析。

2002年8月的RFC 3363中对AAAA模式给与了有效的标准化(在RFC 3364有着对于两种模式优缺点的更深入的讨论)

转换机制

在 IPv6 完全取代 IPv4 前,需要一些转换机制[3]使得只支援 IPv6 的主机可以连络 IPv4 服务,并且允许孤立的 IPv6 主机及网络可以借由 IPv4 设施连络 IPv6 互联网。

在 IPv6 主机和路由器与 IPv4 系统共存的时期时,RFC2893 和 RFC2185 定义了转换机制。这些技术,有时一起称作简单互联网转换(SIT,Simple Internet Transition)。[4] 包含:

    * 运作于主机和路由器之间的双堆栈 IP 实作
    * 将 IPv4 嵌入 IPv6 位址
    * IPv6 立于 IPv4 之上的隧道机制
    * IPv4/IPv6 报头转换

双堆栈

将 IPv6 视为一种 IPv4 的延伸,以共享程式码的方式去实作网络堆栈,其可以同时支援 IPv4 和 IPv6 ,如此是相对较为容易的。如此的实作称为双堆栈,并且,一个实作双堆栈的主机称为双堆栈主机。这步骤描述于 RFC 4213 。

目前大部分 IPv6 的实现使用双堆栈。一些早期实验性实作使用独立的 IPv4 和 IPv6 堆栈。

穿隧

为了连通 IPv6 互联网,一个孤立主机或网络需要使用现存 IPv4 的基础设施来携带 IPv6 封包。这可由将 IPv6 封包装入 IPv4 封包的穿隧协议来完成,实际上就是将 IPv4 当成 IPv6 的连结层。

IP 协议号码的 41 号用来标示将 IPv6 资料讯框直接装入 IPv4 封包。IPv6 亦能将入 UDP 封包,如为了跨过一些会阻挡协议 41 交通的路由器或 NAT 设备。其它流行的封装机制则有AYIYA和GRE。

自动穿隧

自动穿隧指路由设施自动决定隧道端点的技术。RFC 3056 建议使用6to4穿隧技术来自动穿隧,其会使用 41 协议来封装。[5] 隧道端点是由远端知名的 IPv4 任播位址所决定,并在本地端嵌入 IPv4 位址资讯到 IPv6 中。现今 6to4 是广泛布署的。

Teredo 是使用 UDP 封装的穿隧技术,据称可跨越多个 NAT 设备。 [6] Teredo 并非广泛用于布署的,但一个实验性版本的 Teredo 已安装于 Windows XP SP2 IPv6 堆栈中。IPv6,包含 6to4 穿隧和 Teredo 穿隧,在 Windows Vista 中默认是启动的。[7]许多 Unix 系统只支援原生的 6to4,但 Teredo 可由如 Miredoo 的第三方软件来提供。

ISATAP[8] 借由将 IPv4 位址对应到 IPv6 的 link-local 位址,从而将 IPv4 网络视为一种虚拟的 IPv6 区域连线。不像 6to4 和 Teredo 是站点间的穿隧机制, ISATAP 是一种站点内机制,意味着它是用来设计提供在一个组织内节点之间的 IPv6 连接性。

组态穿隧 (6in4)

在组态穿隧中,如6in4穿隧,隧道端点是要明确组态过的,可以是借由管理员手动或操作系统的组态机制,或者借由如 tunnel broker 等的自动服务。[9]组态穿隧通常比自动穿隧更容易去除错,故建议用于大型且良好管理的网络。

组态穿隧在 IPv4 隧道上,使用网际协议中号码的 41 号。

用于只支援 IPv6 主机的代理和转译

在局域网际网络注册管理机构耗尽所有可使用的 IPv4 位址后,非常有可能新加入互联网的主机只具有 IPv6 连接能力。对这些须要向后相容以能存取 IPv4 资源的客户端,须要布署合适的转换机制。

一种转换技术是使用双堆栈的应用层代理,如网页代理服务器。

一些对于应用程式无法得知但在其低层使用类 NAT 转换技术也曾被提出。但因为一般应用层协议所要求的能力其应用太广,其中大部分都被认定在实际上太不可靠,并且被认为应删除。

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