IPv6 简介

IPv6技术基础 概述 从 1992年标准创立至今，IPv6的标准体系已经基本完善，推动了 IPv6从实验室走向实际网络。对于 IPv6的研究已经从理论层面转向了 IPv6应用的探索当中，从而进一步促进了 IPv6技术的发展。 IPv6产生的背景 IPv6是 IPv4的未来替代协议。 IPv4 协议是目前广泛部署的因特网协议，从 1981 年最初定义（RFC791）到现在已经有20 多年的时间。IPv4 协议简单、易于实现、互操作性好，IPv4 网络规模也从最初的单个网络扩展为全球范围的众多网络。 然而，随着因特网的迅猛发展，IPv4设计的不足也日益明显，主要有以下几点： IPv4地址空间不足 IPv4地址采用 32比特标识， 理论上能够提供的地址数量是 43亿。 但由于地址分配的原因，实际可使用的数量不到 43 亿。另外，IPv4 地址的分配也很不均衡：美国占全球地址空间的一半左右，而欧洲则相对匮乏；亚太地区则更加匮乏（有些国家分配的地址还不到 256个）。随着因特网发展，IPv4地址空间不足问题日益严重。 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的问题，造成许多 IPv4地址块分配不连续，不能有效聚合路由。针对这一问题，采用 CIDR以及回收并再分配 IPv4地址，有效抑制了全球 IPv4 BGP路由表的线性增长。 但目前全球 IPv4 BGP路由表仍在不断增长， 已经达到 17万多条， 经过 CIDR聚合以后的 BGP也将近10万条。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，这一问题促使设备制造商不断升级其路由器产品，提高其路由寻址和转发的性能。 不易进行自动配置和重新编址 由于 IPv4地址只有 32比特，地址分配也不均衡，经常在需要在网络扩容或重新部署时，需要重新分配 IP地址，因此需要能够进行自动配置和重新编址以减少维护工作量。 不能解决日益突出的安全问题 随着因特网的发展，安全问题越来越突出。IPv4协议制定时并没有仔细针对安全性进行设计，因此固有的框架结构并不能支持端到端安全。因此，安全问题也是促使新的 IP协议出现的一到动因。 针对 IPv4地址短缺问题，也出现了多种解决方案。比较有代表性的是 CIDR和 NAT。 CIDR CIDR是无类域间路由的简称。 IPv4设计之初是层次化的结构， 分为 A类 （掩码长度为 8） 、B类（掩码长度为 16）、C类地址（掩码长度为 24），地址利用效率不高。CIDR支持任意长度的地址掩码，使 ISP能够按需分配地址空间，提高了地址空间利用率。 CIDR的出现大大缓解了地址紧张问题，但由于各种网络设备、主机的不断出现，对 IP地址的需求也越来越多，CIDR还是无法解决 IPv4地址空间过小问题（32比特）。 NAT NAT 也是针对 IPv4 地址短缺问题提出的一种解决方案。其基本原理是在网络内部使用私有地址，在 NAT设备处完成私有地址和外部公有地址的翻译，达到减少公有地址使用的目的。 NAT也是一种广泛部署的地址短缺问题解决方案。但 NAT有以下缺点： NAT破坏了 IP的端到端模型 NAT存在单点失效问题 不支持端到端的安全 网络扩容或重新部署困难 从上可见，推动 IPv6发展的主要问题是 IPv4地址空间即将耗尽。IPv6也提供了一些新的特性和和改善措施： 设计回归简洁、透明，提高实现效率，减少复杂性 为新出现的无线业务提供支持 重新引入端到端安全和 QoS IPv6的优点 128位地址结构，提供充足的地址空间 近乎无限的 IP 地址空间是部署 IPv6 网络最大的优势。和 IPv4 相比，IPv6 的地址比特数是 IPv4的 4倍（从 32位扩充到 128位）。128位地址可包含约 43亿×43亿×43亿×43亿个地址节点，足已满足任何可预计的地址空间分配（IPv4 理论上能够提供的上限是 43 亿个，而 IPv6理论上地址空间的上限是 43亿×43亿×43亿×43亿个）。 图 错误!文档中没有指定样式的文字。-1 IPv6地址格式 层次化的网络结构，提高了路由效率 IPv6地址长度为 128位，可提供远大于 IPv4的地址空间和网络前缀，因此可以方便地进行网络的层次化部署。 IPv6报文头简洁、灵活，效率更高，易于扩展 图 错误!文档中没有指定样式的文字。-2 IPv6和IPv4报文头格式对比 IPv6和 IPv4相比，去除了 IHL、identifiers、Flags、Fragment Offset、Header Checksum、Options、Paddiing域，只增了流标签域，因此 IPv6报文头的处理较 IPv4大大简化，提高了处理效率。另外，IPv6为了更好支持各种选项处理，提出了扩展头的概念，新增选项时不必修改现有结构就能做到，理论上可以无限扩展，体现了优异的灵活性。 支持自动配置，即插即用 IPv6 协议内置支持通过地址自动配置方式使主机自动发现网络并获取 IPv6 地址，大大提高了内部网络的可管理性。 支持端到端的安全 IPv4中也支持 IP层安全特性（IPSec），但只是通过选项支持，实际部署中多数节点都不支持。IPSec是IPv6协议基本定义中的一部分，任何部署的节点都必须能够支持。 支持移动特性 和移动 IPv4相比，移动 IPv6使用邻居发现功能可直接实现外地网络的发现并得到转交地址，而不必使用外地代理。 新增流标签功能，更利于支持QoS IPv6报文头中新增了流标签域，源节点可以使用这个域标识特定的数据流。转发路由器和目的节点都可根据此标签域进行特殊处理，如视频会议和 VOIP等数据流。 IPv6基础知识 IPv6报文格式 2.1.1 IPv6报文基本头格式 图 错误!文档中没有指定样式的文字。-3 IPv6基本头格式定义 Version： 4比特。值为 6表示 IPv6报文。 Traffic Class： 8比特。类似于 IPv4中的TOS域。 Flow Label： 20比特。IPv6中新增。流标签可用来标记特定流的报文，以便在网络层区分不同的报文。转发路径上的路由器可以根据流标签来区分流并进行处理。由于流标签在 IPv6报文头中携带，转发路由器可以不必根据报文内容来识别不同的流，目的节点也同样可以根据流标签识别流，同时由于流标签在报文头中，因此使用 IPSec后仍然可以根据流标签进行 QoS处理。 Payload Length： 16比特。以字节为单位的 IPv6载荷长度，也就是 IPv6报文基本头以后部分的长度（包括所有扩展头部分）。 Next Header： 8比特。 用来标识当前头 （基本头或扩展头） 后下一个头的类型。 此域内定义的类型与 IPv4中的协议域值相同。IPv6定义的扩展头由基本头或扩展头中的扩展头域链接成一条链。这一机制下处理扩展头更高效，转发路由器只处理必须处理的选项头，提高了转发效率。 Hop Limit： 8比特。和 IPv4中的 TTL字段类似。每个转发此报文的节点把此域减 1，如果此域值减到0则丢弃。 Source Address： 128比特。报文的源地址。 Destination Address： 128比特。报文的目的地址。 2.1.2 IPv6报文扩展头格式 图 错误!文档中没有指定样式的文字。-4IPv6扩展头格式 IPv6选项字段是通过形成链式结构的扩展头支持的。 IPv6基本头后面可以有 0到多个扩展头。 IPv6扩展头排列顺序如下： 逐跳选项头（Hop-by-Hop Options Header） 值为 0（在 IPv6基本头中定义）。用于路由告警（RSVP和 MLDv1）与 Jumbo帧。此扩展头被转发路径所有节点处理。 目的选项头（Destination Options Header） 值为 60。只可能出现在两个位置： 路由头前 这时此选项头被目的节点和路由头中指定的节点处理。 上层头前（任何 ESP选项后） 此时只能被目的节点处理。Mobile IPv6中使用了目的选项头。 路由头（Routing Header） 值为 43。用于源路由选项和 Mobile IPv6。 分片头（Fragment Header） 值为 44。此选项头在源节点发送的报文超过 Path MTU（源和目的之间传输路径的 MTU）时对报文分片时使用。 验证头（Authentication Header） 值为 51。用于 IPSec，提供报文验证、完整性检查。定义和 IPv4中相同。 封装安全载荷头（ESP Header） 值为 50。用于 IPSec，提供报文验证、完整性检查和加密。定义和 IPv4中相同。 目的选项头（Destination Options Header） 值为 60。只可能出现在两个位置： 路由头前 这时此选项头被目的节点和路由头中指定的节点处理。 上层头前（任何 ESP选项后） 此时只能被目的节点处理。Mobile IPv6中使用了目的选项头。 上层头（Upper-layer Header） 上层协议头，如 TCP/UDP/ICMP 等目的选项头最多出现两次（一次在路由头前，一次在上层协议头前），其它选项头最多出现一次。 但 IPv6节点必须能够处理选项头（逐跳选项头除外，它固定只能紧随基本头之后）的任意出现位置和任意出现次数，以保证互通性。 IPv6地址 2.2.1 IPv6地址结构定义 1. IPv6地址表示 IPv6地址包括 128比特，由使用由冒号分隔的 16比特的十六进制数表示。16比特的十六进制数对大小写不敏感。如：FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210。 另外，对于中间比特连续为 0的情况，还提供了简易表示方法。例如： 1080:0:0:0:8:800:200C:417A 等价于 1080::8:800:200C:417A FF01:0:0:0:0:0:0:101 等价于 FF01::101 0:0:0:0:0:0:0:1 等价于 ::1 0:0:0:0:0:0:0:0 等价于 :: 2. IPv6地址前缀表示 和 IPv4 类似，IPv6 的子网前缀和一条链路关联。多个子网前缀可分配给同一链路。IPv6地址前缀表示如下： ipv6-address/prefix-length 其中： ipv6-address 16进制表示的 128比特地址 prefix-length 10进制表示的地址前缀长度 2.2.2 IPv6地址分类 RFC2373中定义了多种 IPv6地址类型： 表格 错误!文档中没有指定样式的文字。-1