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初识 IPv6

2019 年 11 月 25 日已分配完公网 IPv4 地址,以后就没有多余地址可以分配了。短期内可以使用 NAT 技术进行缓解。长期来看,还是要用 128 位的 IPv6 地址替代 32 位的 IPv4 地址,IPv6 有 3.4×10^38 个可用地址,多得不得了,可以满足未来 IP 地址的需求。

IPv6 地址

IPv6 地址不但比 IPv4 的地址长度长,还其它方面的不同。

1、IPv6 地址表示

32 位的 IPv4 地址,分隔成 4 个 8 位段,每 8 位段的值在 0 ~ 255 之间,每个 8 位段之间用 “ . ” 分开,这就是 “ 点分十进制表示法 ” 。举个栗子:

192.168.0.1

而 128 位的 IPv6 地址,是 IPv4 地址的 4 倍,如果用点分十进制表示法,那么会有 16 个八位组,地址过于冗长。为了使用方便, 使用十六进制表示法,分隔成 8 个 16 位段,每 16 位段的值在 0000 ~ FFFF 的十六进制数之间,每个 16 位段之间用 “ : ” 分开。举个栗子:

2001:1111:0100:000a:0000:00bc:2500:0a0b

为了方便理解,可以查看下面的进制转换表

但是 IPv6 地址还是太长,不方便记忆,看着都头晕,也不方便书写,毫无规律可言。于是就有了两条简化规则。第一条规则是:

  • 每组十六进制数中开头的 0 可以省略。

上面的 IPv6 地址可以写成:2001:1111:100:a:0:bc:2500:a0b

这里需要注意,开头的 0 才能省略,末尾的 0 是不能省略的,因为这样会引起歧义,无法确定省略的 0 是在数字前还是数字后。

如果有个 IPv6 地址有一串的 0 ,比如:

2001:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0003

可以简写成:

2001:0:0:0:0:0:0:3

这时,还可以使用第二个规则进行简化,第二条规则是:

  • 由全 0 组成的连续的 16 位段可以用一对冒号 “ :: ” 表示。

上面的地址还可以简化成:

2001::3

这里需要注意,一个 IPv6 地址内,只能使用一次 “ :: ” 表示。如果使用两次及以上,也会产生歧义。举个栗子:

2001:0a0c:0000:0000:0021:0000:0000:0077

正确的写法有是:

2001:a0c::21:0:0:77

2001:a0c:0:0:21::77

如果使用了两次 “ :: ” ,那么就是错误的:

2001:a0c::21::77

有两个全 0 字符串,就无法确定它们的长度,上面错误的地址会有几种可能:

2001:0a0c:0000:0021:0000:0000:0000:0077

2001:0a0c:0000:0000:0021:0000:0000:0077

2001:0a0c:0000:0000:0000:0021:0000:0077

IPv4 的网段地址可以用子网掩码表示,还可以用斜线法表示。IPv6 只能用斜线法表示网段地址,即在 IPv6 地址后面加上一个斜线 “ / ” ,后面加上一个十进制的数字,来表示前面多少位是网络位。网络位是 64 位的 IPv6 地址表示如下:

3001:2222:333:aa:bc::707:9900/64

对应的网段地址是:

3001:2222:333:aa::/64

全是 0 的 IPv6 地址可以写成一对冒号。当网络位是 0 位时,表示默认地址。

::/0

当网络位是 128 位时,表示未指定地址( unspecified address )。设备未分配 IPv6 地址时,就用未指定地址作为标识进行报文交互。

::/128

2、IPv6 地址类型

IPv6 地址根据使用范围和功能,分为三种类型:

  • 单播( Unicast )

  • 任意播( Anycast )

  • 组播( Multicast )

对比 IPv4 ,IPv6 地址中没有广播地址,但是有一个包含全部节点的组播地址,跟 IPv4 中的广播地址功能相同。

其中单播地址又细分为全球单播地址唯一本地地址链路本地地址等。

2.1 全球单播地址
单播地址表示单台设备的地址。全球单播地址是指这个单播地址是全球唯一的。也就是说,全球单播地址是可以在公网使用、全网可路由的 IPv6 地址,类似于 IPv4 的公网 IP 地址。全球单播 IPv6 地址是由 Internet 地址授权委员会( IANA )分配给地区 Internet 注册机构( RIR ),再由 RIR 分配给 Internet 服务提供商( ISP )。

IANA 分配 128 位的 IPv6 地址时,同 IPv4 一样,也是分配一个网段,即网络/子网位,不会分配 128 位的地址。IPv6 单播地址的通用格式如下:

全球单播 IPv6 地址的前 3 位固定为 001 ;第 4 ~ 48 ?位的这 45 位由地址分配机构分配;48 位之后的 16 位是网络划分子网位,称为子网 ID ;剩余的 64 位 IPv6 地址就是主机位,但是叫做接口 ID( Interface ID )。因为一台主机可以有几个接口,用 IPv6 地址表示主机的一个接口更准确,而不是表示一台主机。同时,一个接口可以有多个 IPv6 地址,还可以有一个 IPv4 地址,接口 ID 只是这个接口的几个标识符之一。

通常,全球 IPv6 地址的接口 ID 是 64 位,子网 ID 是 16 位。一个 16 位的子网 ID 可以划分 65536 个不同的子网。很少有这么多子网的网络,因此全球单播 IPv6 地址还有另外一种格式:前缀是 n 位,子网 ID 是 64-n 位,接口 ID 也是 64 位。两种格式也不是矛盾的。

将全球单播 IPv6 地址的前 3 位固定值转换为 IPv6 表示法,可知全球单播地址的前缀为 2000::/3

IANA 和 RIR 把长度 /32 或 /35 的 IPv6 前缀分配给本地 Internet 注册机构( LIR )。LIR 通常是大型的 ISP ,LIR 分配前缀长度 /48 的 IPv6 地址给各个客户。也有一些例外,会分配不同长度的前缀:

  • 如果一个客户非常庞大,那么可以分配一个长度小于 /48 的前缀。

  • 如果有且仅有一个子网需要地址,那么可以分配一个长度是 /64 的前缀。

  • 如果有且仅有一台设备需要地址,那么可以分配一个长度是 /128 的前缀。

2.2 IPv6 地址类型
IPv6 地址开头的二进制标识地址类型。比如:全球单播地址的前 3 位是 001 。

2.3 本地单播地址
除了全球单播地址,还有几种其它类型的本地单播地址,分别应用在不同的场景。

有哪些本地单播地址呢?

本地单播地址有 4 种类型,分别是唯一本地地址链路本地地址未指定地址回环地址

  • 唯一本地地址

虽然 IPv6 地址非常充足,但是 IANA 还是分配了一段可以在私有网络使用的私有 IP 地址空间。这种可以自行使用而不用申请的单播 IPv6 地址叫做唯一本地地址。唯一本地地址只能在私有网络使用,不能在全球路由,不同的私网可以复用这类地址。它的作用和范围跟 IPv4 的私有 IP 地址相同。

唯一本地地址的前 7 为固定是 1111110 ,前缀为 FC00::/7 的 IPv6 地址。之前还有站点本地地址( Site Local Address ),前缀是 FEC0::/10 ,已被ULA取代。

唯一本地地址的第 8 位比较特殊。第 8 位为 0 时,未定义,也就是说,FC00::/8 这个 IPv6 地址前缀属于保留的地址空间。目前私有网络使用的 IPv6 地址是以 11111101 开头的,即前缀为 FD00::/8 的 IPv6 地址。

  • 链路本地地址

IPv6 的链路本地地址( Link-Local Address ),是 IPv4 地址中没有的类型,是 IPv6 新定义的地址类型。

链路本地地址是只在链路内有效的地址。启动 IPv6 时,网络接口会自动配置这样的一个 IPv6 地址,就可以直接和同一链路上的其它设备通信。因为链路本地地址只在链路本地有效,所以这些数据包不会被发送到其它链路上。

链路本地地址的前 10 位固定是 1111111010 ,之后的 54 位固定为 0 ,最后 64 位是接口 ID 。也就是说,链路本地地址的前缀为 FE80::/10

如果链路本地地址的前 64 位都是相同的,那么接口如何使用 64 位的接口 ID 进行标识,才能确保链路本地地址在链路中不会出现 IP 地址冲突呢?答案是接口使用自己的物理 MAC 地址来填充接口 ID 字段。理论上接口的 MAC 地址是唯一的,因此通过 MAC 地址生成的接口 ID 和链路本地地址也是唯一的。

把 MAC 地址转换成接口 ID ,使用 MAC-to-EUI64 转换法。简单的讲,就是使用接口的 48 位 MAC 地址,在 MAC 地址中间,也就是 OUI 后面,插入一个固定的十六进制数 0xFFFE ,并把第 7 位的 U/L (全局/本地)位设置为 1 ,这样就转换为一个 64 位的接口 ID 。

  • 未指定地址

未指定地址是 128 位全为 0 的前缀地址,简写成 ::/128 ,相当于 IPv4 中的 0.0.0.0/32 。这个地址不能分配给接口使用,只有当 IPv6 设备还没获取到地址时,才将未指定地址作为数据包的源 IPv6 地址。

  • 回环地址

回环地址是前 127 位全为 0 ,最后一位是 1 的 128 位前缀地址,简写成 ::1/128 ,相当于 IPv4 中的回环地址 127.0.0.1/8 。回环地址表示节点自己,不能分配给接口使用。只要设备的协议栈状态正常,设备就可以收到发送给回环地址的数据包。

2.4 任意播地址
IPv6 定义了一种任性的功能,通过任意播地址( Anycast Address )实现。任意播地址是根据功能定义的,而不是根据报文格式,IPv6 没有定义任意播的地址空间,与单播使用相同的地址空间。所以,无法根据地址判断是单播地址还是任意播地址。

单播是一对一,组播是一对多,广播是一对全体,那么任意播就是一对最近的通信方式。

一个任意播地址可以分配给多台设备,路由器会有多条路由到达相同的目的地,选择代价最小的路由进行数据转发。在大型网络中,流量可以发送到最近的设备,数据传输效率更高。而且当最近的设备故障时,路由器可以把路由指向下一台最近的路由器。

2.5 组播地址
组播地址不是标识一台设备,而是一组设备:一个组播组( Multicast Group )。发送组播数据包通常是单台设备,可以是组播组成员,也可以是其它主机,数据包的目的地址是组播地址。

组播组成员有可能是一台设备,也可能是这个网络上的所有设备。IPv6 没有广播地址,但是有一个包含所有节点的组播组,和广播地址做相同的事情:所有节点都是这个组播组的成员。

组播地址的前 8 位全是 1 ,后面跟着 4 位标记位,再后面就是 4 位表示地址范围。最后的 112 位作为组 ID ( Group ID ),标识不同的组播组。前面的 80 位是 0 ,只使用后面的 32 位。

4 位标记位中,第 1 位是保留标记位,未使用,使用固定值 0 。第 2 位用于汇集点( Rendezvous Point ),汇集点是组播的一个概念,叫做 R 位,通常取值为 0 。第 3 位表示组播地址是否带了前缀,叫做 P 位。组播地址没前缀,取值为 0 。大多数情况是 0 。最后一位是 T 位,值为 0 时表示是已定义的、永久的组播地址;值为 1 时是临时充当一些设备的组播组。因此,各个协议使用的组播组是以 FF0 开头的 IPv6 地址,而自定义的组播组是以 FF1 开头的。

组播地址和单播地址一样,有一个有效范围,4 为范围位定义了组播地址的使用范围。不同取值的范围表如下:

常见的 IPv6 组播地址的格式是标记位的值是 0 ,范围位的值是 2 ,即前缀为 FF02 的组播地址。

2.6 嵌入的 IPv4 地址
在 IPv6 地址的环境中使用 IPv4 地址,需要用到转换技术,把 IPv4 地址转换成 IPv6 地址。比如 6to4 技术就是将 IPv4 地址转换成 16 进制数,再嵌入到 IPv6 地址的最后 32 位。

ICMPv6

IPv6 也是使用 ICMP 来管理网络,实现错误检查和报告机制功能。IPv4 协议中 ICMP 使用的协议号是 1 ,而 IPv6 协议中 ICMPv6 使用的值是 58 。ICMPv6 对于头部字段的定义也与 ICMP 相同。

ping 功能也是使用 Echo 请求和 Echo 应答报文。除此之外,还有一个基于 ICMP 的新协议:邻居发现协议

NDP

IPv6 的邻居发现协议( NDP )相当于 IPv4 的 ARP 、ICMP 的路由器发现和 ICMP 的重定向,还可以发现网络中使用的 IPv6 地址前缀等参数,并实现地址自动配置等。IPv6 协议通过 NDP 功能实现即插即用特性:

  • 路由器发现( Router Discovery ):当一个节点接入到 IPv6 链路时,它可以发现链路上的路由器,而不需要借助使用 DHCP 。

  • 前缀发现( Prefix Discovery ):当一个节点接入到 IPv6 链路时,它能够发现链路的前缀。

  • 参数发现( Parameter Discovery ):节点能够发现所在链路的参数,像链路的 MTU 和跳数限制等。

  • 地址自动配置( Address Autoconfiguration ):节点能够自动配置,不需要使用 DHCP 。

  • 地址解析( Address Resolution ):节点不需要通过 ARP 就能够获取链路上其它节点的 MAC 地址。

  • 下一跳确定( Next-Hop Determination ):能够确定到达目的节点的下一跳链路层节点,或者所在链路的目的节点,或是到达目的节点的路由器。

  • 邻居不可达检测( Neighbor Unreachability Detection ):节点上能够检测到链路上的邻居何时不可达,邻居有可能是主机,也可能是路由器。

  • 地址冲突检测( Duplicate Address Detection ):节点能够检测到要使用的地址是否已经被其它节点占用。

  • 重定向( Redirect ):对于非连接的目的节点,路由器能够通知主机存在更好的下一跳路由。

NDP 报文是在数据链路内接收和发送,因此封装 NDP 的数据包是使用 IPv6 链路本地地址,或者是链路范围内的组播地址。在安全性上也有加强,NDP 报文的跳数限制255 。如果收到的数据包的跳数限制值小于 255 ,那么这个数据包至少经过了一台路由器,因此丢弃这个数据包。这样可以阻止 NDP 不会受到非本地链路的攻击或欺骗。

1、NDP 报文

NDP 定义了 5 种报文类型,且跳数限制字段值都是 255 。如果收到的 NDP 报文中跳数限制字段值不是 255 ,那么会丢弃这个 NDP 报文。在 ICMPv6 封装这 5 种 NDP 报文时,编码字段都是 0 ,不同报文类型通过类型值来标识:

  • 路由器请求( Router Solicitation ,RS ):路由器请求报文是由主机发出的,用来请求链路中的路由器发送一个 RA 。类型字段值是 133

  • 路由器通告( Router Advertisement ,RA ):路由器通告报文是路由器发出的,用来通告路由器的存在和链路参数,比如:链路前缀、链路 MTU ,以及跳数限制等。这些报文周期性的发送,也用于响应路由器请求报文。类型字段值是 134

  • 邻居请求( Neighbor Solicitation ,NS ):也是有主机发起,用来请求另一台主机的 MAC 地址,也用于地址冲突检测、邻居不可达检测。类型字段值是 135

  • 邻居通告( Neighbor Advertisement ,NA ):用于响应邻居请求报文。如果一个节点改变了 MAC 地址,那么它通过发送一个未请求的邻居通告报文来告知这个新地址。类型字段值是 136

  • 重定向( Redirect ):跟 IPv4 协议中的 ICMP 用法相同,只不过是移植到 NDP 中。类型字段值是 137

2、路由器发现

路由器在所在的链路上周期性发送 RA ,告知它的存在和配置的所有参数。未收到请求的 RA 的源地址是路由器接口的链路本地 IPv6 地址,目的地址是所有节点的组播地址( FF02::1 )。

刚接入到链路的主机,需要等待一个 RA ,用来发现链路上的路由器和链路参数。默认等待 200 秒的时间太长。所以,主机激活时,就会发送一个 RS ,这个报文的源地址可以是未指定地址( :: ),也可以是主机的链路本地 IPv6 地址。目的地址就是所有路由器的组播地址( FF02::2 ),请求链路本地路由器为主机提供一些信息。

只有路由器才会监听链路本地路由器组播地址,当路由器收到 RS 时,就会发送一条 RA 作为响应。如果收到报文的源地址是链路本地地址,那么使用链路本地地址单播发送。如果源地址是未指定地址( :: ),那么会以组播方式发送给所有节点( FF02::1 )。

当主机收到 RS 时,会把路由器的链路本地地址作为默认路由地址,添加到自己的路由表中。如果路由器列表有多条默认路由器条目,那么主机要给出选定默认路由器的方法。要么是整个默认路由器列表依次轮询,要么选择单台路由器作为默认路由。

3、地址自动配置

当一台 IPv6 的设备第一次接入链路时,它能够自动配置自己的接口地址。这个过程的第一步就是确定 64 位接口 ID 部分,使用 MAC-to-EUI64 转换法获取接口 ID 。

当然,接口 ID 只是 IPv6 地址的一半,还需要一个 64 位的前缀。前面提到过,链路本地前缀是 0xFF80::/10 。用它作为 64 位前缀( 0xFF80::/64 ),再加上转换后的接口 ID ,就是一个完整的 IPv6 地址,可以和同一链路上设备进行通信。

如果一台主机只需要和所在链路上的设备通信,那么它自动配置的链路本地地址就已经满足了。但是如果主机需要和链路之外的设备通信,那么它就需要一个更大范围的地址,通常是一个全球 IPv6 地址。有两种途径获取这类地址:有状态或无状态的地址自动配置。

使用 DHCPv6 服务器来分配 IPv6 地址,称为有状态地址自动配置。主机要么根据预先的配置查找 DHCPv6 服务器,要么收到字段 M 置位的路由器通告报文来获取 DHCPv6 服务器。

更有趣的是无状态地址自动配置( Stateless Address Autoconfiguration ,SLAAC ),不依赖服务器、不需要手动配置。这个过程非常简单,当一台 IPv6 设备接入网络时,会发送 RS 来查询网络中是否存在路由器。RA 有一个字段可以告诉 IPv6 设备使用哪种方式配置自己的 IPv6 地址,这个字段称为 M 位。如果 M 位置位,值为 1 时,表示设备通过 DHCPv6 协议动态配置 IPv6 地址;如果 M 位不置位,值为 0 时,则表示设备通过 SLAAC 来配置 IPv6 地址。

IPv6 设备从收到的 RA 中获取一个或多个链路前缀,再加上之前确定的接口 ID ,就得到了一个全球唯一的 IPv6 地址。

IPv6 设备执行 SLAAC 的过程,不需要人工干预,也没有 DHCP 服务器参与,设备自行完成配置。也就是说,这种机制为 IPv6 网络提供了即插即用功能。

4、邻居地址解析

IPv4 通过 ARP 获取 MAC 地址,然而 ARP 协议无法照搬到 IPv6 环境中,IPv6 没有定义广播地址。为了解决查询目的设备的 MAC 地址问题, IPv6 通过 NDP 获取 MAC 地址。IPv6 设备使用 NS 和 NA 来实现 MAC 地址的查询和响应。IPv6 使用目的节点组播地址作为 NS 的目的地址。

目的节点的组播地址的前 104 位固定是 FF02::1:FF ,后 24 位使用目的单播 IPv6 地址接口 ID 的后 24 位。当接口获取一个单播或任意播 IPv6 地址时,就会同时监听发送给这个单播地址对于的目的节点组播地址。

如果目的节点是链路之外的节点,那么可以通过路由器通告报文,获取默认路由器的 MAC 地址。如果目的节点在链路内,那么节点会先查找邻居缓存看一下是否已经学到这个地址。IPv6 的邻居缓存IPv4 的 ARP 缓存相似,记录 IP 地址和 MAC 地址的对应关系。

如果地址不在邻居缓存中,节点会发送一个 NS 。目的节点收到报文后,就知道源节点的 MAC 地址,并回复邻居通告报文。

如果目的节点存在并且收到了 NS ,那么它会回复一个 NA 。这个 NA 的目的地址就是源节点的源地址。收到响应的 NA 后,源节点就把目的节点的 MAC 地址添加到邻居缓存的条目中。

NDP 的 NA 还有另一种用法,当 IPv6 节点的 MAC 地址发生变化时,也可以在未收到 NS 的情况下,直接向本地链路发生一条 NA ,向本地链路上其它设备通告新的 IPv6 地址和 MAC 地址的对应关系。因为目的是通告给链路中所有设备,而不是某一台设备,所有 NA 的目的地址就是链路本地所有节点组播地址( FF02::1 )。

5、地址冲突检测

虽然通过 MAC 地址转换成接口 ID ,大多数情况下可以保证是设备地址是唯一的,但是也可能存在重复 MAC 地址的情况,因此不管设备是如何获取地址的,都需要在使用之前进行地址冲突检测

获取一个地址的节点会把新地址作为临时状态的地址。在地址冲突检测完成前,地址不能被使用。节点会发送目的地址是新地址的 NS 来验证。NS 的源地址是未指定地址,目的地址是目的节点的组播地址。

如果节点收到一个 NS ,并且目的地址是这个节点已经使用的地址,就会发送一个目的地址为已使用地址的 NA 。源节点收到 NA 后,就会知道这个地址是冲突的,并且不能使用。

6、私有地址

无状态地址自动配置会有一个安全隐患:即使一台设备从一个子网转移到另一个子网,它的接口 ID 始终保持不变。那么就可以通过接口 ID 来识别用户,推断出用户的所在位置,追踪用户的活动和位置记录,暴露个人隐私信息。

这个问题可以通过 IPv6 私有地址来解决。私有地址是随机生成的接口 ID 。接口 ID 通常一天变化一次,也会在获取一个新的 IPv6 地址时改变。

但是服务器的地址不需要经常变化。跟服务器通信的节点,以及 DNS 服务器必须通过静态地址了解服务器的位置。因此,标准的无状态配置的 IPv6 地址保留“公共”地址,任何一个向服务器发送数据时,使用这个地址作为目的地址。但是服务器发送数据时,使用的却是私有地址。这就像公司的分机短号一样,你能看见是谁在打你电话,但是别人看不到你的号码。

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