IPv6協(xié)議—互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第六版

作者 | 向閑
小編 | 不吃豬頭肉
引言

IPv6是互聯(lián)網(wǎng)升級演進(jìn)的必然趨勢、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新的重要方向、網(wǎng)絡(luò)強國建設(shè)的基礎(chǔ)支撐。近些年，隨著我國大力推動IPv6規(guī)模部署和應(yīng)用，目前中國的IPv6滲透率已超過70%。
對于車載以太網(wǎng)來說，目前IPv4是車載IP通信的主流協(xié)議，但隨著車輛的智能化、網(wǎng)聯(lián)化程度不斷提高，IPv6協(xié)議應(yīng)用在車載以太網(wǎng)是一種未來趨勢。
那IPv6是什么呢，它包含哪些內(nèi)容呢，帶著這些疑問本文將帶領(lǐng)讀者認(rèn)識IPv6。對于引言提到的IPv4協(xié)議，有想了解的讀者可以閱讀上一篇文章《IPv4協(xié)議—互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第四版》。

為什么需要IPv6協(xié)議
IPv6協(xié)議（Internet Protocol version 6）——互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議第六版，是互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）設(shè)計的用于替代IPv4的下一代IP協(xié)議。IPv6的出現(xiàn)和普及可以有效地解決IPv4地址枯竭問題。

為什么沒有IPv5
IPv5曾被提出并設(shè)計用于多媒體傳輸，?但由于其地址限制、?缺乏廣泛標(biāo)準(zhǔn)化和支持以及實際應(yīng)用中存在的問題，?IPv5并沒有成為廣泛應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。?相反，?IPv6作為更先進(jìn)的協(xié)議，?成功地滿足了未來互聯(lián)網(wǎng)的需求，?成為了下一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)。

IPv6地址表示方法
IPv6地址長度為128位，每16位地址為一組，通常分為8組，每組十六進(jìn)制數(shù)間用冒號分隔，例如：ABCD2345ABCD2345:6789。
RFC2373標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了IPv6的規(guī)范文本表示形式：

1、每組中的前導(dǎo)“0”都可以省略，200100000008200CDB823800417A。

2、地址中包含的連續(xù)兩個或多個均為0的組，可以用雙冒號“::”來代替，F(xiàn)F01000:1101。

3、在一個IPv6地址中只能使用一次雙冒號“::”，否則當(dāng)計算機將壓縮后的地址恢復(fù)成128位時，無法確定每個“::”代表0的個數(shù)。

IPv6地址類型
IPv6協(xié)議主要定義了三種地址類型：單播地址、組播地址和任播地址。與IPv4地址類型比較，IPv6新增了任播地址，取消了IPv4的廣播地址。但在IPv6協(xié)議中，廣播功能是通過組播來完成的。
1.單播地址
用來唯一標(biāo)識一個接口，類似于IPv4中的單播地址。發(fā)送到單播地址的數(shù)據(jù)報文將被傳送給此地址所標(biāo)識的一個接口。
目前常用的單播地址有：未指定地址、環(huán)回地址、鏈路本地地址、唯一本地地址、全局單播地址。

1.未指定地址（0000:0/128或::/128）：僅用于表示某個地址不存在，等同于IPv4未指定地址0.0.0.0。未指定地址通常被用做嘗試驗證暫定地址唯一性數(shù)據(jù)包的源地址，并且永遠(yuǎn)不會指派給某個接口或被用做目標(biāo)地址。

2.環(huán)回地址（0000:1/128或::1/128）：用于標(biāo)識環(huán)回接口，允許節(jié)點將數(shù)據(jù)包發(fā)送給自己，等同于IPv4環(huán)回地址127.0.0.1。

3.鏈路本地地址（FE80::/10）：僅用于單個鏈路（鏈路層不能跨VLAN），不能在不同子網(wǎng)中路由。

4.唯一本地地址（FC00::/7、FD00::/8和FC00::/8）：唯一本地地址是本地全局的，它應(yīng)用于本地通信，但不通過Internet路由，將其范圍限制為組織的邊界。

5.全局單播地址：等同于IPv4中的公網(wǎng)地址，可以在IPv6 Internet上進(jìn)行全局路由和訪問。這種地址類型允許路由前綴的聚合，從而限制了全球路由表項的數(shù)量。

2.組播地址
用來標(biāo)識一組接口（通常這組接口屬于不同的節(jié)點），類似于IPv4中的組播地址。發(fā)送到組播地址的數(shù)據(jù)報文被傳送給此地址所標(biāo)識的所有接口。
IPv6組播地址的最高的8位固定為1111 1111，如FF00::/8。
3.任播地址
用來標(biāo)識一組接口（通常這組接口屬于不同的節(jié)點）。發(fā)送到任播地址的數(shù)據(jù)報文被傳送給此地址所標(biāo)識的一組接口中距離源節(jié)點最近（根據(jù)使用的路由協(xié)議進(jìn)行定義）的一個接口。
一個任播地址必須不能用作IPv6數(shù)據(jù)包的源地址，也不能分配給IPv6主機，僅可以分配給IPv6路由器。

IPv6報頭格式
IPv6報文分為IPv6報頭（長度固定為40字節(jié)）、擴展報頭和數(shù)據(jù)部分。其中，擴展報頭是可選報頭，可能存在0個、1個或多個。
IPv6報頭結(jié)構(gòu)如下圖所示：

-版本號（Version）

4bits，表示當(dāng)前IP協(xié)議版本號，此處協(xié)議版本號為IPv6(6)。

-流量等級（Traffic Class）

8bits，用于識別和區(qū)分IPv6報文的不同類別或優(yōu)先級。

-流標(biāo)簽（Flow Label）

20bits，用來標(biāo)識同一個流里面的報文，對于不支持Flow Label字段功能的主機或路由器，需要在發(fā)起報文時將該字段設(shè)置為零，在轉(zhuǎn)發(fā)報文時不修改該字段，在接收報文時忽略該字段。

-載荷長度（Payload Length）

16bits，IPv6有效載荷長度，包含擴展報頭和數(shù)據(jù)部分的長度。

-下一報頭（Next Header）

8bits，標(biāo)識緊跟在IPv6報頭后的報頭類型。

-跳數(shù)限制（Hop Limit）

8bits，該字段類似于IPv4中的TTL，每次轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)減一，該字段達(dá)到0時包將會被丟棄。

-源地址（Source Address）

128bits，標(biāo)識該IPv6報文的源地址。

-目標(biāo)地址（Destination Address）

128bits，標(biāo)識該IPv6報文的目標(biāo)地址。

IPv6擴展報頭

IPv6報文中不再有“選項”字段，而是通過“下一報頭”字段配合IPv6擴展報頭來實現(xiàn)選項的功能。使用擴展頭時，將在IPv6報文下一報頭字段表明首個擴展報頭的類型，再根據(jù)該類型對擴展報頭進(jìn)行讀取與處理。每個擴展報頭同樣包含下一報頭字段，若接下來有其他擴展報頭，即在該字段中繼續(xù)標(biāo)明接下來的擴展報頭的類型，從而達(dá)到添加連續(xù)多個擴展報頭的目的。在最后一個擴展報頭的下一報頭字段中，則標(biāo)明該報文上層協(xié)議的類型，用以讀取上層協(xié)議數(shù)據(jù)。
IPv6擴展頭使用示例

使用協(xié)議
1.地址配置協(xié)議
IPv6使用兩種地址自動配置協(xié)議，分別為無狀態(tài)地址自動配置協(xié)議（SLAAC）和IPv6動態(tài)主機配置協(xié)議（DHCPv6）。SLAAC不需要服務(wù)器對地址進(jìn)行管理，主機直接根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的路由器通告信息與本機MAC地址結(jié)合計算出本機IPv6地址，實現(xiàn)地址自動配置；DHCPv6由DHCPv6服務(wù)器管理地址池，用戶主機從服務(wù)器請求并獲取IPv6地址及其他信息，達(dá)到地址自動配置的目的。
1）無狀態(tài)地址自動配置無狀態(tài)地址自動配置的核心是不需要額外的服務(wù)器管理地址狀態(tài)，主機可自行計算地址進(jìn)行地址自動配置，包括4個基本步驟：

(1)鏈路本地地址配置。主機計算本地地址。

(2)重復(fù)地址檢測，確定當(dāng)前地址唯一。

(3)全局前綴獲取，主機計算全局地址。

(4)前綴重新編址，主機改變?nèi)值刂贰?/p>

2）IPv6動態(tài)主機配置協(xié)議IPv6動態(tài)主機配置協(xié)議DHCPv6是由IPv4場景下的DHCP發(fā)展而來?？蛻舳送ㄟ^向DHCP服務(wù)器發(fā)出申請來獲取本機IP地址并進(jìn)行自動配置，DHCP服務(wù)器負(fù)責(zé)管理并維護地址池以及地址與客戶端的映射信息。
DHCPv6在DHCP的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了一定的改進(jìn)與擴充。其中包含3種角色：DHCPv6客戶端，用于動態(tài)獲取IPv6地址、IPv6前綴或其他網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)；DHCPv6服務(wù)器，負(fù)責(zé)為DHCPv6客戶端分配IPv6地址、IPv6前綴和其他配置參數(shù)；DHCPv6中繼，它是一個轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。
2.路由協(xié)議
與IPv4相同，IPv6路由協(xié)議同樣分成內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）與外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EGP），其中IGP包括由RIP變化而來的RIPng，由OSPF變化而來的OSPFv3，以及IS-IS協(xié)議變化而來的IS-ISv6。EGP則主要是由BGP變化而來的BGP4+。本文不對IPv6的路由協(xié)議作更進(jìn)一步展開說明，如果各位對文章中提到的IPv6路由協(xié)議內(nèi)容感興趣的，可以去網(wǎng)上搜索相關(guān)知識點學(xué)習(xí)拓展。

優(yōu)勢特點
與IPv4相比，IPv6具有以下幾個優(yōu)勢：

IPv6具有更大的地址空間

IPv4中規(guī)定IP地址長度為32，最大地址個數(shù)為232；而IPv6中IP地址的長度為128，即最大地址個數(shù)為2128。與32位地址空間相比，其地址空間增加了2128-232個。

IPv6使用更小的路由表

IPv6的地址分配一開始就遵循聚類的原則，這使得路由器能在路由表中用一條記錄表示一片子網(wǎng)，大大減小了路由器中路由表的長度，提高了路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速度。

IPv6增加了增強的組播支持以及對流的控制

這使得網(wǎng)絡(luò)上的多媒體應(yīng)用有了長足發(fā)展的機會，為服務(wù)質(zhì)量QoS（Quality of Service）控制提供了良好的網(wǎng)絡(luò)平臺。

IPv6加入了對自動配置的支持

這是對DHCP協(xié)議的改進(jìn)和擴展，使得網(wǎng)絡(luò)（尤其是局域網(wǎng)）的管理更加方便和快捷。

IPv6具有更高的安全性

在使用IPv6網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以對網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密并對IP報文進(jìn)行校驗，在IPv6中的加密與鑒別選項提供了分組的保密性與完整性。極大地增強了網(wǎng)絡(luò)的安全性。

允許擴充

如果新的技術(shù)或應(yīng)用需要時，IPv6允許協(xié)議進(jìn)行擴充。

更好的頭部格式

IPv6使用新的頭部格式，其選項與基本頭部分開，如果需要，可將選項插入到基本頭部與上層數(shù)據(jù)之間。這就簡化和加速了路由選擇過程，因為大多數(shù)的選項不需要由路由選擇。
IPv6的發(fā)展與前景
“第三屆中國IPv6創(chuàng)新發(fā)展大會”指出，當(dāng)前全球互聯(lián)網(wǎng)正處在從IPv4向IPv6過渡的關(guān)鍵時期，作為新一代互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，IPv6具有更加廣闊的網(wǎng)絡(luò)地址空間和更高的安全性，為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新興技術(shù)發(fā)展提供堅實的支撐，是全球公認(rèn)的下一代互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用的解決方案。加快推進(jìn)IPv6的部署和應(yīng)用，對于打造競爭新優(yōu)勢，加快形成新質(zhì)生產(chǎn)力，推動網(wǎng)絡(luò)強國和數(shù)字中國建設(shè)具有重要意義。當(dāng)前我國IPv6用戶滲透率已超過70%，近年來推動IPv6+已顯現(xiàn)其潛力。

總結(jié)
IPv6作為替代IPv4的下一代協(xié)議，雖然目前還未全面普及，但隨著技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的增長，全面普及是不可避免的趨勢。所以提前認(rèn)識和了解IPv6能夠幫助我們從容應(yīng)對未來IPv6所帶來的挑戰(zhàn)。
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