计算机网络课程总结--IPV6

发表于 2016-12-26 标签计算机网络

本文主要讲述 IPV6 的一些基础知识，包括 IPV6 的术语，地址，一些基本协议以及从IPV4过渡到IPV6的的一些技术等。

IPV6的出现最主要的原因是因为 IPV4 存在着一些不足，主要有

地址不足
端到端模式无法实施(NAT)
Qos和性能问题
配置复杂
安全问题
路由表的膨胀
移动性支持不足

其中最主要的就是地址不足。

在介绍IPV6的具体知识前，首先了解IPV6中的一些基本术语

从上图可知，IPV6 中有以下术语

领节点：不跨越网段的两台主机
局域网段：交换机某个端口下的网络
链路：路由器某个端口下的网络
子网(site)：一个机构管辖的所有网络（不同于IPV4中的子网）

IPV6地址

IPV4地址

讲述IPV6地址前，首先回顾一下IPV4地址，IPV4的地址长度为32位，通过点分十进制表示，点分十进制的规则如下

将32位IP地址分为4个8位组
每个8位组之间用圆点 “.” 分隔
每个8位组转化为对应的十进制数

每个地址被划分为网路地址和主机地址两部分。地址可分为ABCD四类，每一类的地址范围如下图所示

IPV6地址表示

IPV6 地址长度是128位，通过冒分16进制表示，冒分16进制将128位划分为8组，组与组之间通过冒号隔开，每一组16位，用四个16进制数表示，如下所示

但是这样表示出来的地址往往在8各组中有很多组是全0的，为了书写的简便，定义了以下的规则： 1）忽略前导0， 2）忽略全0，用双冒号代替，注意一个地址最多只能有一个双冒号

如下是运用了这两条规则的一个简单例子

除此之外，IPV6中通过/XX表示地址前缀，替代了IPV4中子网掩码的概念。

IPV6中的地址根据其作用域可以分为单播地址(Unicast Address)，组播地址(Multicast Address)和任播地址(Anycast Address)三大类。IPV6中没有广播地址的概念。

单播地址

IPV6 单播地址用于唯一标识支持 IPV6 的设备上的接口，与 IPV4 类似，源 IPV6 地址必须是单播地址。在IPV6中，单播地址分为六类

链路本地地址(Link Local Address)
环回地址(Loopback Address )
未指定地址(Unspecified Address)
站点本地地址(Site Local Address)
IPV4兼容地址(IPV4 Compatible Address )
可聚合全球单播地址(Aggregate Global Unicast Address)

链路本地地址

IPV4也有链路本地地址(169.254.0.0/16),但是在IPV4中，该地址的主要被用于地址自动配置：当主机不能从DHCP服务器处获得IP地址时，它会使用链路本地地址作为自己的地址。

但是在IPV6中，链路本地地址用于与同一链路（同一个路由器端口下的网络）中的其他设备通信，而且也只能用于同一链路中，因此，路由器不会转发具有本地链路源地址或目的地址的数据包。需要注意的是，每个支持 IPV6 的网络接口均需要有链路本地地址。有了链路本地地址，就可以与与同一子网中的其他支持 IPV6 的设备通信，包括与默认网关（路由器）通信。所以假如只需要在局域网内通信，可以不需要全局单播地址。

支持 IPV6 的主机在启动时自动创建 IPV6 链路本地地址。链路本地地址格式为 FE80::/64 ，如下图所示

链路本地地址前64位为FE80:0:0:0，后64位为EUI-64地址，EUI-64地址通过mac地址变换过来，变换规则如下所示

注意上图中前24位mac地址中用 u 标记的位表示要对原来的位取反。如下为一个简单的例子本地链路地址的生成

链路本地地址的用途包括： 1）主机使用本地路由器的链路本地地址作为默认网关 IPV6 地址。 2）路由器使用链路本地地址交换动态路由协议消息。 3）转发 IPV6 数据包时，路由器的路由表使用链路本地地址确定下一跳路由器。

环回地址

与IPV4的127.0.0.1类似，在IPV6中对应为::1/128 或简单的 ::1。

通过环回地址启用 ping 命令，从而测试本地主机的 IP 协议是否正确安装。

未指定地址

未指定地址是全 0 地址，使用压缩格式表示为 ::/128 或 :: 。

未指定地址不能分配给接口，仅可作为 IPV6 数据包的源地址。未指定地址的作用在于当设备尚无永久 IPV6 地址时或数据包的源地址与目的地址不相关时，使用未指定地址用作源地址。

站点本地地址

站点本地地址是IPV6的私网地址，就像IPV4中的私网保留地址（10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12,192.168.0.0/16）一样。站点本地地址的前缀范围为 FC00::/10。

最初的 IPV6 规范定义了用于特定用途的本地站点地址，但是因为站点本地地址规范中有很多不明之处，因此，IETF 已经弃用本地站点地址，开始倾向于唯一本地地址。

IPV4兼容地址

兼容IPV4的IPV6地址，用于过渡时期在IPV4网络上建立自动隧道，以传输IPV6数据包。其中高96位设为0，后面的32位的IPV4地址，即地址为::IPV4.

可聚合全球单播地址

可聚合全球单播地址是由IANA分配的可在全球路由的公网IP，地址由格式前缀 001 标识，设计目标是聚合或汇总该地址以便产生有效的路由基础结构

从上图可知，ISP商分配的前缀位为前48位，Site部分则是由ISP下一级的组织机构用于划分子网，最后是64位的接口ID。

接口ID的产生方式有三种 1. EUI-64(前面讲述过，通过mac生成) 2. 随机生成 3. 手工配置

组播地址

IPV6中没有广播的概念，IPV6中通过组播代替广播。

IPV6中组播地址前八位均为1，因此组播地址总是以ff开头，具体的组播地址格式如下

其中

Flags:用来表示permanent(0000)或transient(0001)组播组
Scope:表示组播组的范围 >0：预留 1：节点本地范围 2：链路本地范围 5：站点本地范围
Group ID:组播组ID

一些众所周知的组播地址如下图所示

除此之外还有有一种特殊的组播地址：Solicited-node节点地址（被请求节点组播地址），主要用于重复地址检测和获取邻居节点的链路层地址。

地址构成为 前104位：FF02::1:FF/104（64个零） 后24位：单播地址的后24位

凡是单播地址后24位相同的接口会自动加入相应的请求节点组播组，如下为一个实例

关于组播更详细的信息可参考这篇文章。

任播地址

在IP网络上通过一个任播地址标识一组提供特定服务的主机，同时服务访问方并不关心提供服务的具体是哪一台主机(比如DNS或者镜像服务)，访问该地址的报文可以被IP网络路由到这一组目标中的任何一台主机上，一般来说，目标地址为任播地址的数据报将发送给最近的一个服务主机。

综合上面提到的地址，可以知道一个接口上可以具有的IPV6地址如下所示

地址类型	具体地址
链路本地地址	FE80::/10
环回地址	::1/128
所有节点组播地址	FF01::1,FF02::1
可聚合全球单播地址	2000::/3
被请求节点组播地址	FF02::1:FF00:/104
主机所属组播地址	FF00::/8

IPV6地址配置

IPV6中地址配置方式有三种 1. 手工配置 2. 无状态地址自动配置（ND协议） 3. 有状态地址自动配置（DHCPv6）

手动配置一般不常用，各系统均有自己的配置方式，这里不详细展开。下面主要讨论自动配置的两种方式。

无状态地址自动配置（ND协议）

无状态地址自动配置指的是无须任何配置即可和外界通信，达到了真正的即插即用。无状态地址自动配置通过ND(Neighbor Discovery,邻居发现)协议实现，主要包括如何自动获取地址以及实现重复地址检测(DAD)

RS和RA

ND协议中有两种重要的消息：RS和RA。其中，RS(Router Solicitation)由主机发出，作用是促使路由器发送RA(Router advertisment)消息,RA消息中包含了路由器前缀等信息，主机会利用路由器的前缀加上自己的EUI-64地址作为自己的IPV6地址。这两种消息都是以ICMPv6报文的形式出现，也是5种ND协议消息中的两种。具体过程如下图所示

注意RS消息的目的地址是FF02::2,也就是主机先整个链路的路由器请求RA消息,RA消息的目的地址是FF01::1，也就是路由器向整个链路的主机发送RS消息。

因此为了避免RS泛滥，节点启动时最多只能发送3个RS，而路由器也会主动周期性地发送RA（默认值200秒）。主机在收到路由器的RA之后，自动设置默认路由器，建立默认路由器列表、前缀列表及其它参数。

需要注意的是，自动配置的IPV6地址在系统中有一个生存周期，跟优先时间和有效时间有关，对应着以下4种状态

在使用的时候需要遵循以下规则

1.在Preferred Lifetime周期内的前缀生成的地址，任何上层应用都可不受限制地使用 2.在超过 Preferred Lifetime 但未超过Valid Lifetime周期内的前缀生成的地址，正在使用该地址的上层应用可继续使用，但任何新的上层应用不能使用这个地址 3.在超过Valid Lifetime周期内的前缀构造的地址，任何上层应用都不能使用该地址 一个链路本地地址的优先时间和有效时间是无限的，即永不超时！

NS和NA

在自动配置地址后需要检测该地址在链路上是否与其他地址重复(链路上的主机的mac地址可能重复，从而EUI-64重复)，该过程称为DAD(Duplicate Address Detection),所有的IPV6单播地址，不管是自动配置还是手动配置，都必须要通过DAD。

结合上面地址的生存周期，一个地址在分配给一个接口之后且通过重复地址检测之前称为tentative地址，即试验地址。

DAD机制是ND协议的一部分，因此通过ND协议中的NS/NA两种消息实现。DAD的基本流程: 1. 节点组播发送NS(Neighbor Solicitation)消息 2. 如果收到NA(Neighbor Advertisment)消息，就证明地址重复 3. 如果尝试若干次发送请求，都没有收到邻居通告，即可启用该地址

过程如下所示

注意上面的NS消息的目的地址是被请求节点的组播地址，就是单播地址最后24位相同的主机都会加入的一个组播。而NA消息的目的地址是FF02::1,原因是NS消息中的源地址是未指定地址，发出NA的主机并不知道NS是由那一台主机发出的。

当其他主机收到NS后，会有以下两种情形 1）NS接收者如果发现其中的目标地址对它而言是tentative的，则主动放弃使用这个地址； 2）NS接收者如果发现其中的目标地址是一个它正在使用的地址，则发送NA消息，请求发起者将放弃使用这个试验地址

结合上面的RS和RA，4中ND消息交互入下

前缀重新编制

前缀重新编制允许网络从以前的前缀平稳地过渡到新的前缀，提供对用户透明的网络重新编址能力。

在前缀重新编址时，路由器会继续通告当前前缀，只是优先时间和有效时间被减小到接近0，同时，路由器开始通告新的前缀，这样，链路中至少有两个前缀共存。

节点收到优先时间和有效时间被减小到接近0的RA时，会发现当前前缀的生命周期较短，停止使用；同时开始用新的前缀配置接口，并进行DAD，通过后，获得新的地址使用。

在转换期间，节点有两个单播地址使用，旧的地址基于旧的前缀，用以维持以前已经建立的连接；新的地址，基于新的前缀，用来建立新的连接。当旧的前缀的有效时间递减为0时，旧的前缀完全废止，此时，RA中只包含新的前缀

有状态地址自动配置（DHCPv6）

有状态的自动配置依赖于DHCPv6实现，DHCPv6是DHCP的升级版本。

但是既然有了无状态自动配置，为什么还需要DHCPv6呢？主要有以下几个原因

需要动态指定DNS服务时
当不希望MAC地址成为IPV6地址的一部分时(安全性）
当需要良好的扩展性时

在讲述DHCPv6前，先介绍一下原始的DHCP协议

DHCP的过程非常自然，主要包括下面三步 1）DHCP客户发送广播请求 2）DHCP服务器单播应答 3）DHCP客户接收应答，获取IP等信息

具体过程使用四种package来实现这个过程 1）DHCP客户机在本地发送DHCP DISCOVER广播包； 2）DHCP服务器单播发送携带租约信息的DHCP OFFER包； 3）DHCP客户机确认租约信息并发送DHCP REQUEST广播包； 4）DHCP服务器单播送回DHCP ACK確认完成IP地址租用

DHCP有三种地址分配机制： 1）自动分配方式－由DHCP分配一个永久的IP 2）手动分配方式－网络管理员预先安排分配，由DHCP转达 3）动态分配方式－由DHCP分配具有租约期的IP

相比于DHCP，DHCPv6有了以下的改变 1. 使用UDP来交换报文，端口546/547（V4：67/68） 2. 使用本地链路地址或其它机制获得的地址来发送和接收DHCPv6报文 3. 没有了广播，客户机只需发送给保留的链路范围组播地址（FF02::1:2,all dhcp relay agents and servers ） 4. DHCP中使用的四种package在DHCPv6中依次变为DHCP Solicit, DHCP Advertis, DHCP Request, DHCP Relay.

其过程如下所示： DHCPv6

当客户端已经记录了地址和其他配置信息，只需要DNS server、NTP server等信息的时候，可以通过DHCPv6快速配置来快速获得所需地址。这个过程只需要两个消息的交互，过程如下所示：

IPV6报文

IPV6的报文主要由三部分组成 1. 基本头（固定40字节，v4不固定，为20~60字节范围内） 2. 拓展头（可选，0~n字节，v4中没有） 3. 有效负载（即上层传输数据）

基本头(与v4对比)

v4与v6的报文对比如下所示

且v4的报文的具体字段如下所示

v6的报文的具体字段如下所示 v6报文具体字段

v6在v4字段的基础上有删除，也有修正的项，其中

修正的项有

服务类型→业务等级
TTL→跳数限制
数据总长度→净荷长度(因为头部固定长度为40个字节)
地址32位→128位
协议→下一个头(next header,也是指示具体的协议的，不要被名称误导)

删除的项有

报头长
标志和分段偏移量(与分片相关)
报头校验和

增加的项为

流标记

下图是一个抓取到的ICMPv6的具体package ICMPv6 package

拓展头

除此之外，IPV6将一些IP层的可选功能实现在上层封装和IPV6基本头部之后的扩展头部中，主要的扩展报头有：

逐跳选项
路由报头
分段报头
认证报头
封装安全有效载荷报头
目标选项

每一种扩展报头其实也有自己特定的协议号，例如：路由报头为43，AH报头为51。上图中抓到的ICMPv6包的协议号为58(0x3a转为10进制)，其他一些常见的协议号如下所示

协议号	含义
0	逐跳扩展头
1	ICMPv4
6	TCP
17	UDP
43	路由扩展头(使数据分组经过指定的中间节点)
58	ICMPv6
89	OSPF

每一个基本报头和扩展报头的NextHeader字段标识后面紧接的内容，如下图所示

ICMPv6协议

ICMPv6协议与回声请求、抑制消息、重定向、参数错误等功能相关，相关的命令为ping、traceroute

ICMP报文格式为Type+Code+CheckSum,其报文的格式以及在整个分组的位置如下所示

ICMPv6报文类型可分为两种 (1)差错报文(Type=0~127)：通告IPV6分组传输中出现的错误。如目标不可达、数据包超长、超时、参数问题 (2)信息报文(Type=128~255)：提供诊断和附加的主机功能。如回声请求(Type=128)和应答(Type=129)，ND协议等

ICMPv6的三个实际应用为

ping
tracert(HopLim与v4中的TTL意思相同) >第一个请求：HopLim=1 第一跳路由器收到，发送超时(HopLim=0)消息得到第一跳路由器的信息第二个请求：HopLim=2 第二跳路由器收到，发送超时消息得到第二跳路由器的信息注意：HopLim的最大值为30，且为了让每一个请求都返回超时信息，通常设置ICMPv6报文的端口不可达。
PMTU发现：通过试探的方式发现路径允许的最大的MTU,如下为一个简单的过程。

1)源机向目的机发送MTU=1500字节的IPV6数据包 2)路由器B向源发送超长消息，指定MTU=1400字节 3)源机向目的机发送MTU=1400字节的IPV6数据包 4)路由器C向源发送超长消息，指定MTU=1300字节 5)源机向目的机发送MTU=1300字节的IPV6数据包 6)此后，该路径的MTU都使用1300字节

IPV6路由

在讲述IPV6的路由之前先回顾IPV4的路由，IPV4的路由可以分为两大类：同一网络的路由和不同网络的路由。

同一网络间主机的通信主要依赖于ARP协议，根据目标IP查询其对应的mac地址，然后两者便可通信，中间可以不经过路由器。

不同网络间的通信则需要借助路由器,其过程如下所示 IPV4路由过程

而对于 IPV6 的路由也可分为两种情况： on-link：源机和目的机在同一链路的数据转发 off-link：源机和目的机不在同链路的数据转发

通过地址前缀判断源和目的是否在同一链路。

on-link

处于同一链路的两条主机要通信就要知道对方的mac地址，在IPV4中通过ARP实现,ARP是通过广播实现的，但是IPV6中并没有广播的概念。在IPV6中，通过ND协议来完成这个地址解析的工作。

ND协议在我们介绍无状态地址自动配置的时候已经介绍过，但是除了无状态地址自动配置外，ND协议还被用于地址解析和路由重定向。

ND协议共有五种报文，五种报文都是以ICMPv6报文的形式出现，如下图所示

其地址解析过程如下：

1）首先查找邻居缓存表（IPV6 nc），没有则进行地址解析（类似于查找ARP表） 2）源主机发送组播NS报文，该报文的目的地址为目标IPV6地址所对应的被请求节点组播地址（Solicited-node），在其中也包含了自己的链路层地址 3）目标主机收到NS报文后，就会了解到发送主机的IPV6地址和相应链路层地址；同时由于目标主机正在使用报文内的目标地址，所以会目标主机向源主机单播发一个邻接点公告报文（NA），该报文中包含自己的链路层地址。

这里需要注意的是最后的NA报文是单播的，而在无状态地址自动配置中NA报文是组播，原因在于无状态地址自动配置的时候发送NS的主机还没有有效的地址，而这里的主机已经有了，只是要找到另外一台主机的mac地址而已。

下图便是上面提的地址解析过程 IPV6地址解析