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什么是IPv6(一)
 
  来源:业余电脑 浏览次数:55 发布日期:2020-1-10

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    IPv6是英文“Internet Protocol Version 6”(互联网协议第6版)的缩写,是互联网工程任务组(IETF)设计的用于替代IPv4的下一代IP协议,其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址。

    由于IPv4最大的问题在于网络地址资源有限,严重制约了互联网的应用和发展。IPv6的使用,不仅能解决网络地址资源数量的问题,而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。

    互联网数字分配机构(IANA)在2016年已向国际互联网工程任务组(IETF)提出建议,要求新制定的国际互联网标准只支持IPv6,不再兼容IPv4。

发展历史


    至1992年初,一些关于互联网地址系统的建议在IETF(互联网工程任务组)上提出,并于1992年底形成白皮书。在1993年9月,IETF建立了一个临时的ad-hoc下一代IP(IPng)领域来专门解决下一代IP的问题。这个新领域由Allison Mankin和Scott Bradner领导,成员由15名来自不同工作背景的工程师组成。IETF于1994年7月25日采纳了IPng模型,并形成几个IPng工作组。

从1996年开始,一系列用于定义IPv6的RFC发表出来,最初的版本为RFC1883。由于IPv4和IPv6地址格式等不相同,因此在未来的很长一段时间里,互联网中出现IPv4和IPv6长期共存的局面。在IPv4和IPv6共存的网络中,对于仅有IPv4地址,或仅有IPv6地址的端系统,两者无法直接通信的,此时可依靠中间网关或者使用其他过渡机制实现通信。

    2003年1月22日,IETF发布了IPv6测试性网络,即6bone网络。它是IETF用于测试IPv6网络而进行的一项IPng工程项目,该工程目的是测试如何将IPv4网络向IPv6网络迁移。作为IPv6问题测试的平台,6bone网络包括协议的实现、IPv4向IPv6迁移等功能。6bone操作建立在IPv6试验地址分配基础上.并采用3FFE::/16的IPv6前缀,为IPv6产品及网络的测试和试商用部署提供测试环境。

    截至2009年6月,6bone网络技术已经支持了39个国家的260个组织机构。6bone网络被设计成为一个类似于全球性层次化的IPv6网络,同实际的互联网类似,它包括伪顶级转接提供商、伪次级转接提供商和伪站点级组织机构。由伪顶级提供商负责连接全球范围的组织机构,伪顶级提供商之间通过IPv6的lBGP-4扩展来尽力通信,伪次级提供商也通过BGP-4连接到伪区域性顶级提供商,伪站点级组织机构连接到伪次级提供商。伪站点级组织机构可以通过默认路由或BGP-4连接到其伪提供商。6bone最初开始于虚拟网络,它使用IPv6-over-IPv4隧道过渡技术。因此,它是一个基于IPv4互联网且支持IPv6传输的网络,后来逐渐建立了纯IPv6链接。

    从2011年开始,主要用在个人计算机和服务器系统上的操作系统基本上都支持高质量IPv6配置产品。例如,Microsoft Windows从Windows 2000起就开始支持IPv6,到Windows XP时已经进入了产品完备阶段。而Windows Vista及以后的版本,如Windows 7、Windows 8等操作系统都已经完全支持IPv6,并对其进行了改进以提高支持度。Mac OS X Panther(10.3)、Linux2.6、FreeBSD和Solaris同样支持IPv6的成熟产品。一些应用基于IPv6实现.如BitTorrent点到点文件传输协议等,避免了使用NAT的IPv4私有网络无法正常使用的普遍问题。

    2012年6月6日,国际互联网协会举行了世界IPv6启动纪念日,这一天,全球IPv6网络正式启动。多家知名网站,如Google、Facebook和Yahoo等,于当天全球标准时间0点(北京时间8点整)开始永久性支持IPv6访问。

根据飓风电子统计,截至2013年9月,互联网318个中的283个顶级域名支持IPv6接入它们的DNS。约占89.0%,其中276个域名包含IPv6黏附记录,共5,138,365个域名在各自的域内拥有IPv6地址记录。

    2017年11月26日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发《推进互联网协议第六版(IPv6)规模部署行动计划》。

    2018年6月,三大运营商联合阿里云宣布,将全面对外提供IPv6服务,并计划在2025年前助推中国互联网真正实现“IPv6 Only”。7月,百度云制定了中国的IPv6改造方案。8月3日,工信部通信司在北京召开IPv6规模部署及专项督查工作全国电视电话会议,中国将分阶段有序推进规模建设IPv6网络,实现下一代互联网在经济社会各领域深度融合 。11月,国家下一代互联网产业技术创新战略联盟在北京发布了中国首份IPv6业务用户体验监测报告显示,移动宽带IPv6普及率为6.16%,IPv6覆盖用户数为7017万户,IPv6活跃用户数仅有718万户,与国家规划部署的目标还有较大距离。

    2019年4月16日,工业和信息化部发布《关于开展2019年IPv6网络就绪专项行动的通知》。5月,中国工信部称计划于2019年末,完成13个互联网骨干直联点IPv6的改造。


组成结构


   表示方法

    IPv6的地址长度为128位,是IPv4地址长度的4倍。于是IPv4点分十进制格式不再适用,采用十六进制表示。IPv6有3种表示方法。

一、冒分十六进制表示法
  格式为X:X:X:X:X:X:X:X,其中每个X表示地址中的16b,以十六进制表示,例如:
  ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789
  这种表示法中,每个X的前导0是可以省略的,例如:
  2001:0DB8:0000:0023:0008:0800:200C:417A→ 2001:DB8:0:23:8:800:200C:417A

二、0位压缩表示法
  在某些情况下,一个IPv6地址中间可能包含很长的一段0,可以把连续的一段0压缩为“::”。但为保证地址解析的唯一性,地址中”::”只能出现一次,例如:
  FF01:0:0:0:0:0:0:1101 → FF01::1101
  0:0:0:0:0:0:0:1 → ::1
  0:0:0:0:0:0:0:0 → ::

三、内嵌IPv4地址表示法
  为了实现IPv4-IPv6互通,IPv4地址会嵌入IPv6地址中,此时地址常表示为:X:X:X:X:X:X:d.d.d.d,前96b采用冒分十六进制表示,而最后32b地址则使用IPv4的点分十进制表示,例如::192.168.0.1与::FFFF:192.168.0.1就是两个典型的例子,注意在前96b中,压缩0位的方法依旧适用。

    报文内容

    IPv6报文的整体结构分为IPv6报头、扩展报头和上层协议数据3部分。IPv6报头是必选报文头部,长度固定为40B,包含该报文的基本信息;扩展报头是可选报头,可能存在0个、1个或多个,IPv6协议通过扩展报头实现各种丰富的功能;上层协议数据是该IPv6报文携带的上层数据,可能是ICMPv6报文、TCP报文、UDP报文或其他可能报文。

IPv6的报文头部结构如图:

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版本号表示协议版本.值为6
流量等级主要用于QoS
流标签用来标识同一个流里面的报文
载荷长度表明该IPv6包头部后包含的字节数,包含扩展头部
下一报头该字段用来指明报头后接的报文头部的类型,若存在扩展头,表示第一个扩展头的类型,否则表示其上层协议的类型,它是IPv6各种功能的核心实现方法
跳数限制该字段类似于IPv4中的TTL,每次转发跳数减一,该字段达到0时包将会被丢弃
源地址标识该报文的来源地址
目的地址标识该报文的目的地址

    扩展头部:IPv6报文中不再有“选项”字段,而是通过“下一报头”字段配合IPv6扩展报头来实现选项的功能。使用扩展头时,将在IPv6报文下一报头字段表明首个扩展报头的类型,再根据该类型对扩展报头进行读取与处理。每个扩展报头同样包含下一报头字段,若接下来有其他扩展报头,即在该字段中继续标明接下来的扩展报头的类型,从而达到添加连续多个扩展报头的目的。在最后一个扩展报头的下一报头字段中,则标明该报文上层协议的类型,用以读取上层协议数据。

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地址类型


    IPv6协议主要定义了三种地址类型:单播地址(Unicast Address)、组播地址(Multicast Address)和任播地址(Anycast Address)。与原来在IPv4地址相比,新增了“任播地址”类型,取消了原来IPv4地址中的广播地址,因为在IPv6中的广播功能是通过组播来完成的。

单播地址:用来唯一标识一个接口,类似于IPv4中的单播地址。发送到单播地址的数据报文将被传送给此地址所标识的一个接口。

组播地址:用来标识一组接口(通常这组接口属于不同的节点),类似于IPv4中的组播地址。发送到组播地址的数据报文被传送给此地址所标识的所有接口。

任播地址:用来标识一组接口(通常这组接口属于不同的节点)。发送到任播地址的数据报文被传送给此地址所标识的一组接口中距离源节点最近(根据使用的路由协议进行度量)的一个接口。

IPv6地址类型是由地址前缀部分来确定,主要地址类型与地址前缀的对应关系如下:

地址类型地址前缀(二进制)IPv6前缀标识
单播地址未指定地址00…0(128 bits)::/128
环回地址00…1(128 bits)::1/128
链路本地地址1111111010FE80::/10
唯一本地地址1111 110

FC00::/7

(包括FD00::/8和

不常用的FC00::/8)

站点本地地址(已弃用,被唯一本地地址代替)1111111011FEC0::/10
全局单播地址其他形式-
组播地址
11111111FF00::/8
任播地址
从单播地址空间中进行分配,使用单播地址的格式


    单播地址

    IPv6单播地址与IPv4单播地址一样,都只标识了一个接口。为了适应负载平衡系统,RFC3513允许多个接口使用同一个地址,只要这些接口作为主机上实现的IPv6的单个接口出现。单播地址包括四个类型:全局单播地址、本地单播地址、兼容性地址、特殊地址。

一、全局单播地址:等同于IPv4中的公网地址,可以在IPv6 Internet上进行全局路由和访问。这种地址类型允许路由前缀的聚合,从而限制了全球路由表项的数量。

二、本地单播地址:

链路本地地址和唯一本地地址都属于本地单播地址,在IPv6中,本地单播地址就是指本地网络使用的单播地址,也就是IPV4地址中局域网专用地址。每个接口上至少要有一个链路本地单播地址,另外还可分配任何类型(单播、任播和组播)或范围的IPv6地址。

(1)链路本地地址(FE80::/10):仅用于单个链路(链路层不能跨VLAN),不能在不同子网中路由。结点使用链路本地地址与同一个链路上的相邻结点进行通信。例如,在没有路由器的单链路IPv6网络上,主机使用链路本地地址与该链路上的其他主机进行通信。

(2)唯一本地地址(FC00::/7):唯一本地地址是本地全局的,它应用于本地通信,但不通过Internet路由,将其范围限制为组织的边界。

(3)站点本地地址(FEC0::/10,新标准中已被唯一本地地址代替)

三、兼容性地址:在IPv6的转换机制中还包括了一种通过IPv4路由接口以隧道方式动态传递IPv6包的技术。这样的IPv6结点会被分配一个在低32位中带有全球IPv4单播地址的IPv6全局单播地址。另有一种嵌入IPv4的IPv6地址,用于局域网内部,这类地址用于把IPv4结点当作IPv6结点。此外,还有一种称为“6to4”的IPv6地址,用于在两个通过Internet同时运行IPv4和IPv6的结点之间进行通信。

四、特殊地址:包括未指定地址和环回地址。未指定地址(0:0:0:0:0:0:0:0或::)仅用于表示某个地址不存在。它等价于IPv4未指定地址0.0.0.0。未指定地址通常被用做尝试验证暂定地址唯一性数据包的源地址,并且永远不会指派给某个接口或被用做目标地址。环回地址(0:0:0:0:0:0:0:1或::1)用于标识环回接口,允许节点将数据包发送给自己。它等价于IPv4环回地址127.0.0.1。发送到环回地址的数据包永远不会发送给某个链接,也永远不会通过IPv6路由器转发  。

    组播地址

    IPv6组播地址可识别多个接口,对应于一组接口的地址(通常分属不同节点)。发送到组播地址的数据包被送到由该地址标识的每个接口。使用适当的组播路由拓扑,将向组播地址发送的数据包发送给该地址识别的所有接口。任意位置的IPv6节点可以侦听任意IPv6组播地址上的组播通信。IPv6节点可以同时侦听多个组播地址,也可以随时加入或离开组播组。

IPv6组播地址的最明显特征就是最高的8位固定为1111 1111。IPv6地址很容易区分组播地址,因为它总是以FF开始的。

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    任播地址

    一个IPv6任播地址与组播地址一样也可以识别多个接口,对应一组接口的地址。大多数情况下,这些接口属于不同的节点。但是,与组播地址不同的是,发送到任播地址的数据包被送到由该地址标识的其中一个接口。

通过合适的路由拓扑,目的地址为任播地址的数据包将被发送到单个接口(该地址识别的最近接口,最近接口定义的根据是因为路由距离最近),而组播地址用于一对多通信,发送到多个接口。一个任播地址必须不能用作IPv6数据包的源地址;也不能分配给IPv6主机,仅可以分配给IPv6路由器。

  (本文作者:老喻)
 
 
 
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