網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層之(3)IPv6協(xié)議

Author: Once Day Date: 2024年4月2日

一位熱衷于Linux學(xué)習(xí)和開發(fā)的菜鳥，試圖譜寫一場冒險(xiǎn)之旅，也許終點(diǎn)只是一場白日夢…

漫漫長路，有人對你微笑過嘛…

全系列文檔可參考專欄：通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)_Once-Day的博客-CSDN博客。

參考文章:

• 《TCP/IP詳解卷一》
• IEEE RA Guidelines for Use of EUI, OUI, and CID
• IPv6本地鏈路地址生成方式_ipv6_addr_gen_mode-CSDN博客
• RFC 2373: IP Version 6 Addressing Architecture (rfc-editor.org)
• RFC 2464: Transmission of IPv6 Packets over Ethernet Networks (rfc-editor.org)
• RFC 4291: IP Version 6 Addressing Architecture (rfc-editor.org)

1. 概述

1.1 基礎(chǔ)信息

IPv6地址是互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（Internet Protocol Version 6）的一部分，它是為了解決IPv4地址耗盡問題而設(shè)計(jì)的新一代互聯(lián)網(wǎng)地址協(xié)議。

IPv6地址使用128位地址長度，相較于IPv4的32位，大幅增加了地址空間，可以為地球上幾乎每一粒沙子分配一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。

它通常使用十六進(jìn)制表示，并且通過冒號（:）分隔成8組，每組4個十六進(jìn)制數(shù)。例如，一個IPv6地址可能看起來像這樣：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。

IPv6很多地方規(guī)則與IPv4一致，因此本文不再描述那些與IPv4一樣的內(nèi)容，而是談?wù)処Pv6比較獨(dú)特的地方。

1.2 IPv6地址簡化表示方法

IPv6地址由于其128位的長度，以標(biāo)準(zhǔn)方式表示時非常長，因此在實(shí)際使用中，人們通常會采用簡化表示法來減少地址的復(fù)雜性。IPv6地址簡化的基本規(guī)則包括以下方面[RFC4291]：

1. 省略前導(dǎo)零：在IPv6地址的每個16位字段中，可以省略字段起始部分的所有零。例如，“0042"可以簡化為"42”，“0A00"可以簡化為"A00”。

2. 雙冒號縮寫：在IPv6地址中，一連串的零可以被替換為"::“（雙冒號）。這個簡化規(guī)則只能使用一次，因?yàn)槎啻问褂脮斐傻刂凡幻鞔_。例如，2001:0db8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab可以被簡化為2001:0db8::1428:57ab。如果地址中有多個零段，通常會將最長的連續(xù)零段替換為”::"以進(jìn)行最大程度的簡化。

3. 在IPv6格式中嵌入IPv4地址可以采用混合符號形式，緊接著IPv4部分的地址塊的值為ffff，地址其與部分使用點(diǎn)分四組格式。如::ffff:10.0.0.1表示由IPv4地址(10.0.0.1)映射的IPv6地址。

4. IPv6地址的低32位通常采用點(diǎn)分四組表示法，例如::0102:f001可以表示為::1.2.240.1，稱為IPv4兼容的IPv6地址。

例如，完整的IPv6地址2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001可以被簡化為2001:0db8::1。

需要注意的是，"::"不能用于省略單個零段，因?yàn)檫@會導(dǎo)致地址的歧義。

[RFC5952]制定了一些規(guī)則，以縮小選擇范圍，減少不必要的混淆。

1. 前導(dǎo)的零必須被壓縮，例如2001::0001變成2001::1。
2. ::用于影響最大的地方，以壓縮最多的零，如果多個塊中包含等長度的零，順序靠前的塊將被替換為::。
3. a到f的十六進(jìn)制數(shù)字應(yīng)該使用小寫表示。

在URL等場景下，IPv6的冒號會和端口號沖突，因此需要使用括號包圍IPv6地址，如下表示:

https://[2001:6666]:443

2. IPv6地址

2.1 IPv6地址構(gòu)成

IPv6地址比IPv4長了四倍，因此能表示的地址數(shù)目范圍非常大，也沒有像IPv4一樣分為A/B/C/D類地址。

IPv6吸取了IPv4子網(wǎng)劃分的優(yōu)點(diǎn)，直接一步到位，使用CIDR表示，通過前綴表示法，來劃分許多特殊地址范圍，如fe80::/10范圍內(nèi)的地址全都是本地鏈路地址，不能用于公共互聯(lián)網(wǎng)。

IPv6也沒有廣播地址，因此不用像IPv4一樣去區(qū)分子網(wǎng)號和主機(jī)號，直接根據(jù)地址范圍劃分作用。

常見IPv6地址范圍劃分如下:

通常一個網(wǎng)絡(luò)接口上會有多個IPv6地址(本地鏈路地址+全球單播地址+組播地址等等)，而IPv4一般只有一個地址。

2.2 IPv6本地鏈路地址

鏈路本地IPv6地址使用接口標(biāo)識符(IID)作為組成之一，通常直接由接口的鏈路層MAC地址形成，如下:

在IEEE標(biāo)準(zhǔn)中，EUI表示擴(kuò)展唯一標(biāo)識符，分成EUI-64和EUI-48版本。以太網(wǎng)中常用的是EUI-48的短格式版本，兩者區(qū)別是其長度不一樣。

EUI-48也就是常說的MAC地址，其第一個字節(jié)最低倒數(shù)第二位(U/G)表示該MAC地址是全局MAC地址還是本地MAC地址。

EUI-48通過在第三個字節(jié)和第四個字節(jié)中插入兩個字節(jié)(0xFFFE)可以轉(zhuǎn)化成EUI-64地址，再取反(U/G)位，便可以用于鏈路本地IPv6地址的接口標(biāo)識符組成。反轉(zhuǎn)目的是將原來的全局MAC地址變成本地MAC地址，正好對應(yīng)鏈路本地IPv6地址含義。

例如，接口MAC地址是00:11:22:33:44:55，那么其IPv6鏈路本地地址是fe80::0211:22ff:fe33:4455。

下面是Linux設(shè)備上的IPv6鏈路本地地址實(shí)例：

ubuntu->~:$ ifconfig eth0
eth0: flags=4163<UP,BROADCAST,RUNNING,MULTICAST>  mtu 1500
        inet 10.0.4.17  netmask 255.255.252.0  broadcast 10.0.7.255
        inet6 fe80::5054:ff:fe85:f022  prefixlen 64  scopeid 0x20<link>
        ether 52:54:00:85:f0:22  txqueuelen 1000  (Ethernet)
        RX packets 52199351  bytes 16755548321 (16.7 GB)
        RX errors 0  dropped 0  overruns 0  frame 0
        TX packets 47234618  bytes 12477606055 (12.4 GB)
        TX errors 0  dropped 0 overruns 0  carrier 0  collisions 0

Mac地址是52:54:00:85:f0:22，有0x52=b'01010010，這是一個本地MAC地址，取反之后，即52:54:00:85:f0:22。

然后添加0xFFFE，便構(gòu)造出實(shí)際的鏈路本地IPv6地址fe80::5054:ff:fe85:f022。

對于其他鏈路層或者IP隧道協(xié)議，會使用各自獨(dú)特的標(biāo)識符來創(chuàng)建，例如隧道IP地址。

注意，這里細(xì)心的人也許發(fā)現(xiàn)了，52:54:00:85:f0:22是個本地MAC地址，反轉(zhuǎn)之后不就變成了全局MAC地址呢？

確實(shí)如此，這是實(shí)踐帶來的問題，上述設(shè)備是qemu虛擬設(shè)備，因此使用了本地MAC地址。在[RFC 4291]中，明確表示EUI-64地址反轉(zhuǎn)U/G位后，其含義僅供參考，不強(qiáng)行要求對應(yīng)本地鏈路含義。

簡單來說，修改后的EUI-64地址能對應(yīng)上“鏈路本地”含義最好，不能對應(yīng)也不算是錯誤，只是一串描述符而已。

3. IPv4和IPv6地址轉(zhuǎn)換

3.1 單播地址轉(zhuǎn)換

在一些IPv6和IPv4過渡的網(wǎng)絡(luò)中，需要在IPv4和IPv6之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，相關(guān)內(nèi)容可以參考[RFC6144]和[RFC6052]。

該方案使用一種特殊地址格式，稱為嵌入IPv4的IPv6地址，可采用如下的六種格式來進(jìn)行編碼：

其中64:ff9b::/96是一個非常有名的轉(zhuǎn)換前綴，正好對應(yīng)這里面的/96情況。除了知名前綴之外，也可以是組織為轉(zhuǎn)換器分配的唯一前綴。標(biāo)識對應(yīng)的8位必須全為0，以保持與[RFC4291]指定標(biāo)識符的兼容性，后綴位被保留，并且也應(yīng)該設(shè)置為0。

4. IPv6組播地址

4.1 組播地址格式

IPv6中，前綴ff00::/8已被預(yù)留給組播地址，其中后面的112位可用于保存組號，如下所示。

基本的IPv6組播格式包含4個標(biāo)志位：

• 0，保留位。
• R，包含會合點(diǎn)。
• P，使用單播前綴。
• T，臨時的地址。

4位的范圍值用于表示組播的范圍(全球/本地等)，如下所示:

例如，對于IANA分配的NTP服務(wù)協(xié)議組播地址，可以跨越多個地址范圍，即可變范圍的組播地址ff0x::101，如下所示：

標(biāo)志位(P/R/T)含義如下：

當(dāng)P位設(shè)置為1時，無須基于每個組的全球性許可，可以采用以下兩個方法確定地址:

• 基于單播前綴的IPv6組播地址分配，提前拿到一個分配的單播前綴，然后同時分配一個有效的組播地址集合。
• 鏈路范圍的IPv6組播，使用接口標(biāo)識符，組播地址基于主機(jī)的IID標(biāo)識。

P位設(shè)置為1通常也要求T位也為1，上述兩種組播地址格式如下所示：

例如，一個組織分配了一個單播前綴3ffe:ffff:1::/48，同時也會分配一個基于單播的組播前綴ff3x:30:3ffe:ffff:1::/96。

• x表示組播范圍可以由該組織自行選擇，例如鏈路本地(2)和組織本地(8)。
• 3表明P和T位同時設(shè)置，這個地址是基于單播前綴的IPv6組播地址分配，并且是動態(tài)的。
• 30是指單播地址前綴長度為48，然后后面接著單播前綴3ffe:ffff:1。

在創(chuàng)建唯一的鏈路本地范圍的組播地址，可以使用接口標(biāo)識符IID構(gòu)建組播地址，前綴長度需要固定為255，范圍只能為接口本地和鏈路本地。

當(dāng)R和P字段設(shè)置為1時，表示組播路由協(xié)議需要知道一個會合點(diǎn)(RP)，即可以處理一個或者多個組播組的組播路由器的IP地址。其格式如下:

RIID字段值是RP的IP地址的低4位，其余部分用零填充。

例如，對于組播地址ff75:940:2001:db8:dead:beef:f00d:face，其范圍為5(站點(diǎn)本地)，RIID值為9，前綴長度為64(0x40)，所以單播前綴為2001:db8:dead:beef/64，RP地址則為2001:db8:dead:beef::9。

4.1 特殊組播地址

這些地址用于IPv6協(xié)議的不同方面，包括路由協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理以及特定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。例如，ff02::1地址用于標(biāo)識同一鏈路上的所有節(jié)點(diǎn)，而ff02::2用于標(biāo)識同一鏈路上的所有路由器。Solicited-Node地址有助于IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)過程，它是通過在IPv6地址的最后24位前添加ff02::1:ff前綴來構(gòu)造的。

到了這里，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)層之(3)IPv6地址的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！