IPv6下一代网络互连协议

IPv6下一代网络互连协议
1995年正式公布的IPv6是Internet的下一代IP协议，它主要是针对当前32位IP地址资源的严重短缺问题。

IPv6主要有5个特点：
〔t)地址长度扩展到128位，(地址空间增大296倍) 以支持数量众多的网络节点。

同时它定义了更多的地址层次结构和简单的地址自动配置功能，它支持3种不同的地址类型和可变规模的组播路由。

(2)简化了数据报头部，减少了路由表长度，同时减少了路由器处理报头的时间，降低了报文通过网络的延迟。

(3)增强了选项和扩展功能，使IPv6具有更大的灵活性，具有更强的功能。

(4)对服务质量作了定义，可以标记数据所属的流类型．以便路由器或交换机进行相应的处理。

(5)提供了比IPv4更好的安全性保证。

IPv6的地址结构
IPv6的地址长度为128位．它采用多级体系，这是充分考虑到怎样使路由器能更快地寻找到路由，IPv6的地址空间被划分为若干大小不等的地址块，其分配原则如下表所示。

IPv6有3种寻址方式：
(1)单播(Unicast)：一个地址对应于一个主机(或路由器)，它是传统的点对点通信。

(2)组播(Multicast)：一个地址对应于—组主机(或路由器)，它是一点对多点的通信。

数据报文传送到一组主机中的每一个。

IPv6没有采用“广播”一词，而是将广播看作组播的一个特例。

(3)任播(Anycast)：这是IPv6新增的一个地址类型，任播的目的站是一组主机，但数据报在交付时只给其中的一个，通常是距离最近的一个。

下图是IPv6的各种地址格式。

IPv6地址有3种表达方式。

(1)基本形式：在这种形式中，128位地址被划分为8个16位部分。

每个部分分别用十六进制表示。

例如：
FACB：BA66：3424：DE00：BA99：9912：9831；AFCD
(2)简略形式：IPv6的简略形式仍然将128位地址划分为8个16位部分，每个部分分别用十六进制表示。

不过与基本形式相比，如果一个部分的地址段为0的话，则用符号“：：”表示。

例如，地址为0：0：0：0：0：0：0：0：，则可表示为：：。

地址为AA03：0：0；0；0：7；18；5，则可表示为AA03：：7：18：5。

(3)混合形式：在这种形式中，高位的96位被划分为6个16位部分，每个部分用十六进制表示。

对于低位的32位地址来说，则采用与原IPv4相同的表示方法。

IPv6和IPv4的混合表示主要用于IPv4地址和IPv6地址同时存在的环境。

例如：0：0；0：0：0：0：166．18．16．0 或：：166．18．16．0
IPv6把实现IPv4的主机和路由器称为节点，并将IPv6地址分配给节点上面的接口。

一个接口可以有多个单播地址，一个节点接口的单播地址可用来唯一地标识该节点。

如同IPv4—样，一个IPv6地址与特定的网络连接相关联，因此一个连接两个或多个网络的IPv6路由器需要两个或多个地址，而与一个网络连接的IPv6主机则只有一个地址。

为了地址分配和修改的方便，IPv6允许给一个给定的网络指派多个前缀，也允许对一个主机的给定接口同时指派多个地址，从下表可看出，72%的地址空间是今后扩展使用的，下图给出了
这些地址类型的格式。

由于IPv6中的每个地址占128位，地址空间将大于38
4.3⨯，如果整个地球表面(包括陆
10
地和水面)都覆盖着计算机，那么IPv6允许每平方米拥有23
7⨯个IP地址。

如果地址分配
10
速率是每微秒分配100万个地址，则需要19
10年的时间才能将所有可能的地址分配完毕。

可见，将来IPv6地址空间是不可能用完的。

IPv6报文的基本头部格式
一个IPv6数据包开始于一个基本头部，其后可以跟1个或多个扩展头部(也可以没有)，然后是数据区，下图是它的通用格式。

IPv6数据报有40字节的基本头部，其后还允许有1个或多个扩展头部，当然也可以没有。

下图给以了IPv6报文的头部格式。

(1)版本字段(version)：该字段占4比特，对于IPv6来说，版本字段值总是6(IPv4为4)。

在从IPv4过渡到IPv6的过程中，路由器将通过检测版本字段来确定报文的类型。

(2)优先级(priority)字段：该字段占4比特，用来表示报文的优先程度。

通常，优先级0～7用于标识非实时数据，优先级8～15用于标识实时数据。

这样的区别使得网络发生拥塞时路由器可以更好地处理报文，以保证实时效据的传输质量。

例如IPv6标准建议，新闻报文的优先级为1，FTP报文的优先级为4，Telnet报文的优先级为6：对于新闻报文延迟几秒人们并没有什么感觉，但对Telnet，报文的延迟人们很快就会觉察到。

也就是说，路由器要优先转发优先级为6的Telnet报文。

(3)流标识(flow label)字段：该字段占24比特，用于标识从源端某进程到目的端某进程之间建立起来的—条特殊连接：一个流由其源地址、目的地址和流序号来标识。

(4)有效载荷长度(Payload length)字段：该字段占16比特，标明报文中用户数据的字节数，不包括40个字节的报头。

IPv6报文头与IPv4报文头区别之一是，在IPv4报文头部中有一个总长字段，该字段所表示的长度包括IP报头的字节长度。

(5)下一个头部(next header)字段：该字段占18比特，说明如果其后还有扩展头部的话，它是现有的6种扩展头部的哪一种类型：如果出头部是最后一个IP报头，则本字段用于说明应将IP数批报交给哪个传输层协议(如TCP或UDP)。

(6)跳数限制(hop limit)此段，该字段占8比特，用于保证报文不会在网络上无限期逗留，该字段就相当于IPv4中的生命期TTL字段，也是每经过一个站点减1。

(7)源地址(sourcc address)和目的地址字段，它们分别是长度为16个字节(128位)的IP地址。

因为IPv6的头部是定长的，所以就不再需要像IPv4头部中的头部长度字段。

由于在IPv6的下一个头部字段中已经标明了该报文是由哪个高层协议生成的，因此也就不再需要协议字段。

此外，IPv6采用了不同的方法来实现分段，因此在IPv6头部中所有与分段相关的字段都没有了。

最后，在IPv6头部中，校验和字段也被取消，原因是计算机校验和降低了性能，而且现在的网络可靠性已经很高，不值得以性能为代价在设一个校验和。

取消这些字段带来的好处是主机和路由器对IPv6的处理将更使快速、更灵活。

IPv6扩展头部格式
为了解决定长头部所带来的功能限制问题，IPv6引入了扩展头部的概念，通过扩展头部来提供额外的信息，目前，IPv6定义了6种扩展头部，如下表所示。

每一种扩展头部都是可选的，而且当有多个扩展头部时，这些扩展的头部必须紧跟在固定头部之后，并按下表的次序排列。

有些扩展头部具有固定格式，而有些扩展头部的某些字段是可变的，一般每个扩展头部包括类型、长度、值等字段格式，如下图所示。

类型字段占1字节，用于说明扩展头部类型。

在类型字段的头2位用于控制路由器如何处理扩展头部。

可选择4种操作：跳过该选项、丢弃该IP数据报、丢弃该IP数据报并返回一个ICMP报文和丢弃该组播报文也只返回一个ICMP报文。

长度字段为1字节，由于说明值字段长度是多少字节，而值字段则是扩展头部的信息字段，其最大长度不超过255个字节。

下图五为大数据报的站到站扩展头部格式，其中包含的信息是沿途所有路由器都必须检查
的。

它支持大于64KB字节的数据传输。

下图为源路由扩展头部格式，它包括了到达目的站所必须经过的路由器，它支持严格源路由和松散源路由两种方式。

分段扩展头部处理分段的方法类似于IPv4，与IPv4不同的是，IPv6要求所有的主机和路由器都必须能处理576字节的报文，而且IPv6规定只有源主机可以将报文进行分段，路由器不能对报文进行分段，这样做的目的是为了简化IPv6路由器的工作，使其能更快速地进行路由选择，当路由器接收到一个过大的IPv6报文时，它便丢弃该报文并已向源端返回一个ICMP数据包。

报文，告诉源主机将报文分成更小的分段在重发一次。

身份验证扩展头部提供了一种是报文接收者确认发送者身份的机制，其缺省身份验证方法是报文摘要算法。

加密信息扩展头部是用来传送需要加密的内容，她以一个32位的密钥开始，最后是被加密的信息。

加密算法可由发送者和接收者协商决定，但缺省算法是数据加密标准的密码块链式模式。

由于将来Internet要使用IPv6，因此必须将目前的IPv4逐步过渡到IPv6。

为了保证Internet 能从IPv4顺利过渡到IPv6，IPv6同时也制定了协议过渡机制，通过该过渡机制可以保证：现有的任何IPv4的主机和路由器可在任何时间升级，而不依赖于其它主机和路由。

新的IPv6主机和路由器可在任何环境、任何条件下安装。

现有的IPv4主机和路由器升级到IPv6可继续保持原有地址不变。

IPv4升级到IPv6不需要很高的投资费用。