计算机网络笔记(二十三)——4.5IPv6

4.5.1IPv6的基本首部

IPv6 的基本首部相对于 IPv4 进行了重大简化和优化，固定长度为 40 字节，大幅提升了路由器的处理效率。以下是各字段的详细说明：

IPv6 基本首部字段组成

字段名	位数	作用描述
版本 (Version)	4 bits	固定值为 6，标识这是 IPv6 数据包。IPv4 的版本号为 4。
流量类 (Traffic Class)	8 bits	类似 IPv4 的 TOS 字段，定义数据包的优先级或 QoS（服务质量），用于支持实时流量（如音视频）区分。
流标签 (Flow Label)	20 bits	标记同一“流”的数据包，确保同一流的数据按顺序、按需传输（如视频流的连续传输）。
有效载荷长度 (Payload Length)	16 bits	表示 IPv6 首部之后的数据长度（包括扩展首部和上层数据），最大为 65535 字节。若超过，需使用“Jumbo Payload”选项。
下一个首部 (Next Header)	8 bits	标识紧跟当前首部的协议类型： - 上层协议（如 TCP=6, UDP=17, ICMPv6=58） - 扩展首部（如路由、分片等），通过链式结构支持灵活扩展。
跳数限制 (Hop Limit)	8 bits	类似 IPv4 的 TTL，每经一个路由器减 1，归零时丢弃数据包，防止无限循环。
源地址 (Source Address)	128 bits	发送方的 IPv6 地址。
目的地址 (Destination Address)	128 bits	接收方的 IPv6 地址。

IPv6 vs. IPv4 首部对比

IPv6 首部移除了以下 IPv4 字段以简化处理：

1. 首部长度：IPv6 首部固定为 40 字节。
2. 标识、标志、片偏移：分片仅在源主机处理，路由器不再分片。
3. 首部校验和：依赖上层协议（TCP/UDP）校验，减少逐跳计算开销。
4. 选项字段：由扩展首部替代，支持灵活扩展。

IPv6 扩展首部

通过 下一个首部 字段链式扩展，包括：

• 路由首部（Routing）：指定传输路径。
• 分片首部（Fragment）：源主机分片时使用。
• 认证首部（AH）：提供数据完整性验证。
• 封装安全载荷（ESP）：加密数据内容。
  

IPv6 首部改进优势

1. 高效处理：固定长度和简化字段加速路由器转发。
2. 服务质量增强：流量类和流标签支持精细流量管理。
3. 扩展灵活：通过扩展首部按需添加功能，适应未来需求。
4. 安全性提升：原生支持 IPSec（通过 AH 和 ESP 扩展）。

IPv6 首部结构示意图

关键总结

• 固定首部：40 字节，无可变选项，加速处理。
• 分片职责：仅在源主机进行，减轻路由器负担。
• 扩展机制：通过链式扩展首部实现功能按需扩展。
• 兼容性与演进：支持无缝过渡（如双协议栈、隧道技术）。

IPv6 在性能、灵活性和安全性上全面超越 IPv4，为现代互联网奠定基础。

4.5.2IPv6的地址

1. IPv6地址结构

• 128位长度，分为8组16位十六进制数，每组范围：0000~FFFF
• 格式示例：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334
• 简化规则：
  • 每组前导零可省略（如0db8 → db8）
  • 连续全零组可用::代替（仅允许一次），如：
    • 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 → 2001:db8::1

2. IPv6地址分类

2.1 单播地址（Unicast）

• 全局单播地址（Global Unicast）

  • 范围：2000::/3（前3位为001）
  • 结构：| 网络前缀（64位） | 接口标识（64位） |
  • 用途：全球唯一地址，用于互联网通信。

• 链路本地地址（Link-Local）

  • 范围：FE80::/10
  • 生成方式：自动生成（基于MAC地址的EUI-64或随机生成）
  • 用途：局域网内通信，无需路由器，如FE80::1%eth0。
    

2.2 组播地址（Multicast）

• 范围：FF00::/8
• 结构：| FF | 标记（4位） | 范围（4位） | 组ID（112位） |
• 示例：FF02::1（所有节点）、FF02::2（所有路由器）

2.3 任播地址（Anycast）

• 与单播地址同结构，但指定给多个节点。
• 数据包会路由到最近节点（如CDN服务器优化路径）。

3. 特殊地址

• 环回地址：::1（等效IPv4的127.0.0.1）
• 未指定地址：::/0（类似IPv4的0.0.0.0）
• IPv4兼容地址：::FFFF:192.168.1.1（过渡方案）

4. 子网划分与接口标识

• 前缀长度：如2001:db8:abcd::/64表示前64位为网络前缀。
• 接口标识生成：
  • EUI-64：将MAC地址（48位）扩展为64位（插入FFFE）。
  • 隐私扩展：随机生成临时地址（避免跟踪）。

5. 地址自动配置

• 无状态（SLAAC）

  • 主机通过路由器通告（RA） 获取网络前缀。
  • 结合EUI-64或随机生成接口标识。

• 有状态（DHCPv6）

  • 由DHCPv6服务器分配地址和其他参数（如DNS）。

6. IPv6与IPv4对比表

特性	IPv4	IPv6
地址长度	32位（4字节）	128位（16字节）
地址表示	点分十进制（192.168.1.1）	冒号分隔十六进制（2001:db8::1）
子网掩码	显式表示（255.255.255.0）	前缀长度（/64）
广播地址	存在（如192.168.1.255）	取消，由组播替代
分片处理	路由器可分片	仅源头节点分片
头部校验和	存在	取消（依赖上层协议校验）

7. 过渡技术

• 双栈（Dual Stack）：设备同时支持IPv4和IPv6。
• 隧道（Tunneling）：将IPv6包封装在IPv4中传输（如6to4）。
• 转换（NAT64）：IPv6与IPv4地址互转。

通过以上解析，可系统理解IPv6地址的设计原理、类型划分及实际应用场景。

4.5.3从IPv4向IPv6过渡

一、过渡技术背景

IPv4 地址耗尽和互联网规模扩张推动了 IPv6 的部署，但网络基础设施无法同时全部更换。需要兼容过渡技术保障两种协议共存。

二、核心技术方案

主要采用三种技术实现平滑过渡：

1. 双协议栈（Dual Stack）

原理：
设备同时运行 IPv4 和 IPv6 协议栈，根据目标地址选择协议版本。

工作流程：

关键特点：

• 首部自动添加 IPv6 或 IPv4 报头
• 需要网络双栈路由支持
• 典型应用：客户端的兼容访问

2. 隧道技术（Tunneling）

原理：
将 IPv6 包封装在 IPv4 包中通过 IPv4 网络传输，建立穿越 IPv4 网络的虚拟通道。

常见隧道类型：

• 手动配置隧道（Static Tunnel）
• 6to4 隧道（自动生成 IPv4 兼容地址）
• Teredo 隧道（穿透 NAT 的 UDP 封装）

特点：

• 配置复杂但支持现存网络资产
• 需要端点支持 IPv6/IPv4 封装
• IPv4 报头 Protocol 字段填写 41（IPv6）

3. 协议转换（NAT64/DNS64）

原理：
通过网关设备进行 IPv6↔IPv4 协议转换，全局地址和私有地址的映射。

DNS64 转换流程：

三、过渡技术对比

技术	部署场景	优点	缺点
双协议栈	终端/网关需要支持双协议	原生性能最优	需全路径支持双栈
隧道技术	IPv6孤岛互联通过IPv4骨干	利用现有基础架构	配置复杂，影响MTU
协议转换	IPv6网络需访问纯IPv4资源	无客户端改造要求	转换损耗，状态维护复杂

四、实际应用场景

1. 企业网络过渡：

   • 内部网络部署双栈，通过隧道连接外部IPv6网络
   • 财务系统等关键业务优先采用双协议栈

2. ISP引入：

   • 骨干网启用IPv6隧道
   • 客户侧CPE设备支持双栈

3. 云服务兼容：
   使用NAT64为IPv6用户提供对IPv4 SaaS的访问

五、配置示例（6to4隧道）

六、迁移趋势

• 短期：双栈为主，隧道为辅
• 长期：IPv6单栈部署成为主流
• 关键指标：网络核心设备优先支持IPv6，用户终端逐步升级

实际部署中常阶段性混合使用多种过渡技术。过渡阶段需重点注意 MTU 调整、ICMP 处理等问题。

4.5.4ICMPv6

IPv6网络中用于错误报告、诊断和控制的重要协议，整合了IPv4中ICMP、ARP和IGMP的功能。

一、ICMPv6核心功能

1. 错误报告：
   • 检测并通告网络异常（如目标不可达、数据包过大）。
2. 邻居发现协议（NDP）：
   • 替代IPv4中的ARP，用于地址解析（IPv6→MAC地址）。
3. 路径MTU发现：
   • 动态探测链路的最小MTU。
4. 地址自动配置：
   • 支持无状态地址分配（SLAAC）。
5. 路由器发现：
   • 获取默认网关信息。
6. 多播管理：
   • 加入/离开多播组。

二、ICMPv6报文分类

类型	范围	常见消息	用途
错误消息	0-127	Destination Unreachable（目标不可达）	网络异常通知
		Packet Too Big（数据包过大）	触发路径MTU发现
		Time Exceeded（超时）	跟踪路由跳数
信息消息	128-255	Echo Request/Reply（回显请求/应答）	连通性测试（IPv6的ping）
		Router Solicitation/Advertisement（RS/RA）	路由器发现
		Neighbor Solicitation/Advertisement（NS/NA）	地址解析与DAD

三、核心功能与流程图

1. 邻居发现协议（NDP）

地址解析流程：

重复地址检测（DAD）：

2. 路由器通信流程

3. 路径MTU发现

四、ICMPv6与IPv4对比

功能	IPv4实现	IPv6实现	改进
地址解析	ARP广播	NDP（多播代替广播）	减少网络拥塞
错误消息	ICMP	ICMPv6集成更多功能	统一协议栈
设备发现	DHCP+手工配置	SLAAC+NDP	无状态自动配置更高效

五、关键优势

• 集成化：合并IPv4中分散的协议（ICMP/ARP/IGMP）。
• 效率提升：用多播替代广播，优化地址解析和路由发现。
• 安全性增强：支持SecNeigh（安全邻居发现）扩展防范欺骗。