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IPv6系列基础篇(上)——地址与报文名堂

【ipv6 地址名堂及报文名堂】本文对IPv6地址名堂及ipv6报文名堂举行了基础说明 。

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    宣布时间:2018-12-27

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我想谈论

配景

以IPv4为焦点手艺的Internet获得重大乐成,但随着网络手艺的飞速生长,IPv4地址资源的枯竭,以及其固有的局限性无法知足网络生长的需求,也带来了一些问题,好比现有的IPv4地址匮乏、服务包管问题等 。而IPv6可以有用的改善这些问题,由IPv4向IPv6的升级过渡将成为互联网生长的趋势 。

IPv4生长的瓶颈

在Internet快速生长的历程中,IPv4协议在设计时保存的局限性凸显出来:

• IP地址空间的局限性

IPv4的地址位数为32位,可使用的IP地址数目约43亿个,全球公网 IPv4 地址已于2011年2月分派完毕;

• 主干路由器维护的路由表表项数目过大

由于IPv4生长初期的分派妄想问题,许多IPv4地址块分派不一连,不可有用聚合路由 。现在全球IPv4 BGP路由表仍一直增添,纵然经由CIDR聚合(Classless Inter-Domain Routing,无种别域间路由),也有70万条左右,日益重大的路由表耗用内存较多,对装备本钱和转发效率都有一定的影响;

• IPv4网络中主机终端设置重大

在将主机节点接入网络时一样平常需要专业职员的指导和资助,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”;

• 缺乏对清静的支持

TCP/IP协议早先是面向军方网络的,以为使用者都是可靠的,没有思量到网络清静问题 。而用于包管IP数据传输清静的IPSec(Internet Protocol Security,因特网协议清静性)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网络提供起劲交付的服务,不提供服务质量包管,如带宽、时延、误码率和颤抖等 。因此,IPv4不可知足日益增添的营业类型对QoS的需求 。

IPv4协议生长已经遇到了瓶颈,面临云云多的限制,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

为相识决IPv4中一些不可协调的问题,IPv6应运而生 。1998年国际互联网工程使命组(The Internet Engineering Task Force,简称IETF)宣布了IPv6协议标准RFC2460,之后尚有多次更新RFC(Request For Comments,是一系列以编号排定的文件 。文件网络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,能够提供富足的地址空间 。号称能够为地球上的每一粒沙子分派一个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,统一组织机构在其网络中可以只使用一个前缀 。关于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宣布出去 。分层聚合使全局路由表项数目很少,转发效率更高;

• IPv6具有自动将IP地址分派给用户的功效,实现了即插即用的联网方法;

• 清静性更高 。IPSec是IPv6的主要组成部分,通过AH(Authentication Header, 认证头)、ESP(Encapsulating Security Payload, 封装清静载荷)扩展首部实现IPv6网络高清静性;

• 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讯质量提出要求 。


IPv6地址

IPv6地址体现要领

IPv6地址总共有128位,使用十六进制举行体现,分为8段,中心用“:”离隔,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

• 一连多个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

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▲图1:IPv6地址结构

接口标识天生要领:

• 手工设置

• 系统通过软件自动天生

• IEEE EUI-64规范自动天生

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

这种方法优点有:

• MAC地址的奇异性包管了接口ID的奇异性;

• 装备自动天生,不需人为干预 。

如图2所示,某装备接口以太网MAC地址为00-E0-4C-68-10-18,通过EUI-64自动天生IPv6的接口ID 。

• 办法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

• 办法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照旧外地管理 。若是为0就为全球管理,体现全球唯一地址;为1就为外地管理,体现外地唯一地址,是网络管理员为了增强自己对网络管理而指定的地址

 

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▲图2:EUI-64地址天生方法

 

IPv6地址分类

IPv6中没有广播地址,增添了任播地址,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)

• 可在全球规模内路由和抵达的,相当于IPv4的公网地址;

• 前三个bit是001,例如:2000::1:2345:6789:abcd(一样平常看到2与3开头的IPv6地址都是全局单播地址) 。

2、链路外地地址(Link-Local Address)

• 用于统一个链路上的相邻节点之间通讯,相当于IPv4内里的169.254.0.0/16地址;

• IPv6的路由器不会转发链路外地地址的数据包;

• 前10个bit是1111 1110 10,由于终末是64bit的接口ID,以是它的前缀总是FE80::/64;

• 链路外地地址一样平常是自动天生的 。

3、奇异外地单播地址(Unique Local Address)

• 奇异外地地址的作用类似于IPv4中的私网地址,只能在外地网络内部被路由转发而不会在全球网络中被路由转发;

• 奇异外地地址前缀FC00::/7 。

 

组播地址

标识多个接口,目的是组播地址的报文会被送到被标识的所有接口 。IPv6常用组播地址如表1所示:

 

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▲表1:IPv6常用组播地址

 

在 IPv6 组播地址中,尚有一种特别的组播地址,叫做 Solicited-node 地址(被请求节点组播地址) 。Solicited-node 地址是一种特殊用途的地址,主要用于DAD(Duplicate Address Detection,重复地址检测)替换 IPv4 中的 ARP 。

Solicited-node 地址由前缀 FF02::1:FF00:0/104和IPv6单播地址的后24 位组成 。如图3所示:

 

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▲图3:Solicited-Node组播地址天生历程

 

任播地址

标识多个接口,目的是任播地址的报文会被送到被标识的最近的接口,最近的接口是由路由协议来界说的 。现实上任播地址与单播地址使用统一个地址空间,也就是说,由路由器决议数据包是做任播转发照旧单播转发 。

 

 

IPv6报文名堂

IPv6数据包由一个IPv6报头、零或多个扩展报头和一个上层协议数据单位组成 。

IPv6基本报头

每一个IPv6数据包都要包括报头,其长度牢靠为40bytes,包括该报文的基本信息 。报头名堂如图4所示:

 

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▲图4:IPv6报头名堂

 

IPv4报头名堂如图5所示:

 

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▲图5:IPv4报头名堂

 

与IPv4报头相比,IPv6报头结构的提升:

• 基本的IPv4报头长度为20个字节,基本的IPv6报头长度为40个字节;

• 由于2层与4层的校验已经足够结实,作废了IP的三层校验;

• 作废中心节点的分片功效,分片重组功效由源端实现,通过Path MTU机制来发明路径MTU 。即,源节点在正式发送数据之前,使用ICMPv6来检测路径上最小的MTU;

• 增添流标签,提高QoS效率 。

IPv6扩展报头

IPv6扩展报头是可选报头,一个IPv6数据包中可能保存零个或多个扩展报头,这些扩展报头可以具有差别的长度 。IPv6扩展报头取代了IPv4的选项字段 。IPv6扩展报头如图6所示 。

 

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▲图6:IPv6扩展报头

 

在IPv4中,IPv4报头包括可选字段Options,内容涉及清静、时间戳、纪录路由等,这些Options可以将IPv4报头长度从20字节扩充到60字节 。在转发历程中,处置惩罚携带这些Options的IPv4报文会占用路由器很大的资源,因此现实中也很少使用 。

IPv6将这些Options从IPv6基本报头中剥离,放到了扩展报头中,扩展报头被置于IPv6报头和上层协议数据单位之间 �;谡庵稚杓�,IPv6头部牢靠为40字节,扩展头部仅在需要时添加 。通常情形下,扩展头部仅由终端主机处置惩罚,IPv6的名堂特点一定水平上降低了对路由器性能的要求 。

当使用多个扩展报头时,IPv6报头中的“下一报头”字段指明下一个扩展报头的类型,这样就形成了链状的报头列表,如图7所示 。

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▲图7:IPv6包的扩展报头示例

 

 总 结

在IPv6网络迅速推广、日益引起人们重视的今天,人们要问的是,IPv6网络尚有多远?着实IPv6手艺正在或已经融入了生涯 。97国际网络的主流产品,包括交流机、路由器、无线、网关等均支持IPv6协议,产品大宗应用在互联网、新零售、教育、医疗、交通、能源等各个行业 。

本文章仅对IPv6的地址及报文名堂做基础说明,更多IPv6相关手艺解说,敬请期待《手艺盛宴》后续的IPv6系列文章 。

 

本期作者:杨万里

97国际网络互联网系统部行业咨询

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往期精彩回首  

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