技术盛宴丨 IPv6系列基础篇(上)——地址与报文格式

背景

以IPv4为核心技术的Internet获得巨大成功，但随着网络技术的飞速发展，IPv4地址资源的枯竭,以及其固有的局限性无法满足网络发展的需求，也带来了一些问题，比如现有的IPv4地址匮乏、服务保障问题等。而IPv6可以有效的改善这些问题，由IPv4向IPv6的升级过渡将成为互联网发展的趋势。

IPv4发展的瓶颈

在Internet快速发展的过程中，IPv4协议在设计时存在的局限性凸显出来：

• IP地址空间的局限性

IPv4的地址位数为32位，可使用的IP地址数量约43亿个，全球公网IPv4 地址已于2011年2月分配完毕；

• 骨干路由器维护的路由表表项数量过大

由于IPv4发展初期的分配规划问题，许多IPv4地址块分配不连续，不能有效聚合路由。目前全球IPv4 BGP路由表仍不断增长，即使经过CIDR聚合（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由），也有70万条左右，日益庞大的路由表耗用内存较多，对设备成本和转发效率都有一定的影响；

• IPv4网络中主机终端配置复杂

在将主机节点接入网络时一般需要专业人员的指导和帮助，需要对网络节点设置IP地址、子网掩码、网关地址等，而用户更喜欢“即插即用”；

• 缺乏对安全的支持

TCP/IP协议起初是面向军方网络的，认为使用者都是可靠的，没有考虑到网络安全问题。而用于保障IP 数据传输安全的IPSec（Internet Protocol Security,因特网协议安全性）仅作为IPv4协议的一个可选项，并不是它的组成部分；

• 缺乏对QoS（Quality of Service，服务质量）的支持

IPv4网络提供尽力交付的服务，不提供服务质量保证，如带宽、时延、误码率和抖动等。因此，IPv4不能满足日益增长的业务类型对QoS的需求。

IPv4协议发展已经遇到了瓶颈，面对如此多的限制，需要一个新的IP协议来替换现有的IPv4，这个协议就是IPv6，IPv6的研究和应用迫在眉睫。

IPv6的优势

为了解决IPv4中一些不可调和的问题，IPv6应运而生。1998年国际互联网工程任务组（The Internet Engineering Task Force，简称IETF）发布了IPv6协议标准RFC2460,之后还有多次更新RFC（Request For Comments，是一系列以编号排定的文件。文件收集了有关互联网相关信息，以及UNIX和互联网社区的软件文件），包括:RFC 5095、RFC 5722、RFC 5871、RFC 6437、RFC 6564、RFC 6935、RFC 6946、RFC

7045、RFC 7112。IPv6 终于在2017年7月14日正式完成标准化—— RFC8200。

IPv6具有如下优势：

• IPv6有128位地址结构，能够提供充足的地址空间。号称能够为地球上的每一粒沙子分配一个IP地址；• 分层聚合，提高了路由效率。IPv6可提供远大于IPv4的网络前缀，同一组织机构在其网络中可以只使用一个前缀。对于ISP，则可获得更大的地址空间。这样ISP可以把所有客户聚合形成一个前缀并发布出去。分层聚合使全局路由表项数量很少，转发效率更高；

• IPv6具有自动将IP地址分配给用户的功能，实现了即插即用的联网方式；

• 安全性更高。IPSec是IPv6的重要组成部分，通过AH(Authentication Header, 认证头)、ESP(Encapsulating Security Payload, 封装安全载荷)扩展首部实现IPv6网络高安全性；

• 提供服务质量支持。IPv6新增的流标签，可以允许网络用户对通信质量提出要求。

IPv6地址

IPv6地址表示方法

IPv6地址总共有128位，使用十六进制进行表示，分为8段，中间用“:”隔开，如2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff

IPv6地址的缩写：

以2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff为例

• 每段的前导0可以省略，但至少留1个0

2001:410:0:1:0:0:0:45ff

• 连续多个0可以缩写为“::”，但只能使用1次

2001:410:0:1::45ff

IPv6地址结构

IPv6地址分为两部分，如图1所示：

• 网络前缀，相当于IPv4中的网络ID

• 接口标识，相当于IPv4中的主机ID

▲图1:IPv6地址结构

接口标识生成方法：

• 手工配置

• 系统通过软件自动生成

• IEEE EUI-64规范自动生成

接口标识可以根据IEEE EUI-64规范将MAC地址（48bit）转化为接口ID。

这种方式优点有：

• MAC地址的独特性保证了接口ID的独特性；

• 设备自动生成，不需人为干预。

如图2所示，某设备接口以太网MAC地址为00-E0-4C-68-10-18，通过EUI-64自动生成IPv6的接口ID。• 步骤1：在MAC地址的高24位厂商ID和低24位厂商编号ID之间插入两个字节FFFE

• 步骤2：将U/L位取反，此处0置为1

注：U/L 位是第一个字节的第七位，用于确定该地址是全球管理还是本地管理。如果为0就为全球管理，表示全球唯一地址；为1就为本地管理，表示本地唯一地址，是网络管理员为了加强自己对网络管理而指定的地址

▲图2：EUI-64地址生成方式

IPv6地址分类

IPv6中没有广播地址，增加了任播地址，即IPv6地址被分为：单播地址、组播地址、任播地址。

• 单播地址

标识一个接口，目的是单播地址的报文会被送到被标识的接口。

主要有三大类：

1、可聚合的全局单播地址（Aggregatable global unicast address)

• 可在全球范围内路由和到达的，相当于IPv4的公网地址；

• 前三个bit是001，例如：2000::1:2345:6789:abcd（一般看到2与3开头的IPv6地址都是全局单播地址）。

2、链路本地地址（Link-Local Address）