IPv6详解 - 技术栈

目录:
[第一部分 IPv6的诞生背景和引起的主要变化](#第一部分 IPv6的诞生背景和引起的主要变化)
[第二部分 IPv6数据报的基本首部和扩展首部](#第二部分 IPv6数据报的基本首部和扩展首部)
[第三部分 IPv6地址](#第三部分 IPv6地址)
[第四部分 IPv4向IPv6过渡](#第四部分 IPv4向IPv6过渡)

第一部分 IPv6的诞生背景和引起的主要变化

一.IPv6的诞生背景

IPv4存在设计缺陷:
- IPv4的设计者最初并没有想到该协议会在全球范围内广泛使用，因此 IPv4地址的长度规定为他们认为足够长的32比特。
- IPv4地址早期的编址方法（分类的IPv4地址和划分子网的IPv4地址)也不够合理，造成IPv4地址资源的浪费。

二.IPv6引起的主要变化

第二部分 IPv6数据报的基本首部和扩展首部

IPv6数据报由基本首部和有效载荷组成,有效载荷又由扩展首部和数据部分组成

注意:所有的扩展首部并不属于IPv6数据报的首部，它们与其后面的数据部分合起来构成有效载荷(payload，也称为净负荷)

IPv6和IPv4的组成对比:

IPv6将IPv4数据报首部中不必要的功能取消了，这使得IPv6数据报基本首部中的字段数量减少到只有8个。
- 但由于IPv6地址的长度扩展到了128比特，因此使得IPv6数据报基本首部的长度反而增大到了40字节，比IPv4数据报首部固定部分的长度(20字节)增大了20字节。

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1.取消了首部长度字段，因为IPv6数据报的首部长度是固定的40字节。
2.取消了区分服务（(服务类型)字段，因为IPv6数据报首部中的通信量类和流标号字段实现了区分服务字段的功能。
3.取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。这是因为IPv6数据报的首部长度是固定的40字节，只有其后面的有效载荷长度是可变的。
4.取消了标识、标志和片偏移字段，因为这些功能已包含在IPv6数据报的分片扩展首部中。
5.把生存时间TTL字段改称为跳数限制字段，这样名称与作用更加一致。
6.取消了协议字段，改用下一个首部字段。
7.取消了首部检验和字段，这样可以加快路由器处理IPv6数据报的速度。
8.取消了选项字段，改用扩展首部来实现选项功能。

一.IPv6数据报的基本首部

版本字段:长度为4比特，用来表示lP协议的版本。对于IPv6该字段的值是6。

通信量类字段:长度为8比特，该字段用来区分不同的IPv6数据报的类别或优先级。目前正在进行不同的通信量类性能的实验。

流标号字段:长度为20比特。
- IPv6提出了流的抽象概念。
- 流"就是因特网上从特定源点到特定终点(单
  播或多播)的一系列IPv6数据报（如实时音视频数据的传送)，而在这个"流"所经过的路径上的所有路由器都保证指明的服务质量。
- 所有属于同一个流的IPv6数据报都具有同样的流标号。换句话说，流标号用于资源分配。
- 流标号对于实时音视频数据的传送特别有用，但对于传统的非实时数据，流标号则没有用处，把流标号字段的值置为0即可。
有效载荷长度字段:长度为16比特，它指明IPv6数据报基本首部后面的有效载荷(包括扩展首部和数据部分)的字节数量。
- 该字段以字节为单位，最大取值为65535，因此IPv6数据报基本首部后面的有效载荷的最大长度为65535字节。
下一个首部字段:长度为8比特。该字段相当于IPv4数据报首部中的协议字段或可选字段。
- 当IPv6数据报没有扩展首部时，该字段的作用与IPv4的协议字段一样，它的值指出了IPv6数据报基本首部后面的数据是何种协议数据单元PDU。
- 当IPv6数据报基本首部后面带有扩展首部时，该字段的值就标识后面第一个扩展首部的类型。
跳数限制字段:长度为8比特。该字段用来防止IPv6数据报在因特网中永久兜圈。
- 源点在每个IPv6数据报发出时即设定某个跳数限制(最大255跳)。
- 每个路由器在转发IPv6数据报时，要先把跳数限制字段中的值减1。当跳数限制的值为0时，就把这个IPv6数据报丢弃(即不转发)。
源地址字段和目的地址字段:长度都为128比特。分别用来填写IPv6数据报的发送端的IPv6地址和接收端的IPv6地址。

二.IPv6数据报的扩展首部

IPv4数据报如果在其首部中使用了选项字段，则在数据报的整个传送路径中的全部路由器，都要对选项字段进行检查，这就降低了路由器处理数据报的速度。
实际上，在路径中的路由器对很多选项是不需要检查的。因此，为了提高路由器对数据报的处理效率，IPv6把原来IPv4首部中的选项字段都放在了扩展首部中，由路径两端的源点和终点的主机来处理，而数据报传送路径中的所有路由器都不处理这些扩展首部(除逐跳选项扩展首部)。

在[RFC 2460]中定义了以下六种扩展首部:

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(1)逐跳选项
(2)路由选择
(3)分片
(4)鉴别
(5)封装安全有效载荷
(6)目的站选项

每一个扩展首部都由若干个字段组成，它们的长度也各不相同。
所有扩展首部中的第一个字段都是8比特的下一个首部字段。该字段的值指出在该扩展首部后面是何种扩展首部。

当使用多个扩展首部时，应按以上的先后顺序出现。

第三部分 IPv6地址

一.IPv6地址空间大小

二.IPv6地址的表示方法

冒号十六进制记法

更加简洁的计法:

在IPv6地址的冒号十六进制记法的基础上，再使用"左侧零"省略和"连续零"压缩，可使IPv6地址的表示更加简洁。
- "左侧零"省略是指两个冒号间的十六进制数中最前面的一串0可以省略不写。
- "连续零"压缩是指一连串连续的0可以用一对冒号取代。
在一个IPv6地址中只能使用一次"连续零"压缩，否则会导致歧义。
冒号十六进制记法还可结合点分十进制的后缀。这在IPv4向IPv6过渡阶段非常有用。
CIDR的斜线表示法在IPv6中仍然可用。

三.IPv6地址的分类

IPv6数据报的目的地址有三种基本类型:

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单播 :传统的点对点通信

多播:一点对多点的通信。
数据报发送到一组计算机中的每一个。IPv6没有采用广播的术语，而将广播看作多播的一个特例。

任播:这是IPv6新增的一种类型。
任播的终点是一组计算机，但数据报只交付其中的一个，通常是按照路由算法得出的距离最近的一个。

[RFC 4291]对IPv6地址进行了分类:

未指明地址
- 128个比特为"全0"的地址，可缩写为两个冒号":."。
- 该地址不能用作目的地址，只能用于还没有配置到一个标准IPv6地址的主机用作源地址。
环回地址;
- 最低比特为1，其余127个比特为"全0"，即0:0:0:0:0:0:0:1，可缩写为:1。
- 该地址的作用与IPv4的环回地址相同。
多播地址:
- 最高8比特为"全1"的地址，可记为FFO0::/8。
- IPv6多播地址的功能与IPv4多播地址相同。
- 这类地址占IPv6地址空间
本地链路单播地址:
- 最高10比特为1111111010的地址，可记为FE80::/10。
- 即伸用户网络没有连接到因特网，但仍然可以使用TCPIP协议。连接在这种网络上的主机都可以使用本地链路单播地址进行通信，但不能和因特网上的其他主机通信。
全球单播地址:
- 全球单播地址是使用得最多的一类地址。
- IPv6全球单播地址采用三级结构，这是为了使路由器可以更快地查找路由。

第四部分 IPv4向IPv6过渡

因特网上使用IPv4的路由器的数量太大，要让所有路由器都改用IPv6并不能一蹴而就。因此，从IPv4转变到IPv6只能采用逐步演进的办法。
另外，新部署的IPv6系统必须能够向后兼容，也就是IPv6系统必须能够接收和转发IPv4数据报，并且能够为IPv4数据报选择路由。
下面介绍两种由IPv4向IPv6过渡的策略:
- 使用双协议栈
- 使用隧道技术

一.双协议栈

双协议栈(Dual Stack)是指在完全过渡到IPv6之前，使一部分主机或路由器装有IPv4和IPv6两套协议栈。
双协议栈主机或路由器既可以和IPv6系统通信，又可以和IPv4系统通信。
双协议栈主机或路由器记为IPv6/IPv4，表明它具有一个IPv6地址和一个IPv4地址。
- 双协议栈主机在与IPv6主机通信时采用IPv6地址，而与IPv4主机通信时采用IPv4地址。
- 双协议栈主机通过域名系统DNS查询目的主机采用的IP地址:
  - 若DNS返回的是IPv4地址，则双协议栈的源主机就使用IPv4地址
  - 若DNS返回的是IPv6地址，则双协议栈的源主机就使用IPv6地址。

二.隧道技术

隧道技术(Tunneling)的核心思想是:
- 当IPv6数据报要进入IPv4网络时，将IPv6数据报重新封装成IPv4数据报，即整个IPv6数据报成为IPv4数据报的数据载荷。
- 封装有IPv6数据报的IPv4数据报在IPv4网络中传输。
- 当IPv4数据报要离开IPv4网络时，再将其数据载荷（即原来的IPv6数据报）取出并转发到IPv6网络。