TCP/IP的秘密（3）IPV6地址详解

传达室老大爷
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我们上期回顾了IPV4，今天我们正式来看看IPV6，IPV6最主要解决的问题，就是IP地址扩容需求，其他的都是附加属性。

1. 地址模式

  • IPV6的地址是分配给网络接口的，不是分配给主机的；

  • 一个接口可以同时拥有多个不同类型的IPV6地址；

  • V6地址分为3类，单播unicast，多播multicast和任播anycast；

  • anycast: 不同节点的一组网络接口(interface)的IP地址，这些接口共用这个IP地址，当给anycast地址发数据包时，会被送到“最近的”的那个接口；

  • multicast: 给多播地址发数据包时，会被送到这个地址标识的所有网络接口(interface)；

  • V6把广播地址取消了(broadcast)；

2. 地址格式

  • IPV6采用128bits编号：分为8段，每段16bits，xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx，每段使用4个16位进制数字表示，如 fe80:0:0:0:b002:d7a:e02b:92c1

  • 简短模式，使用双冒号可以省略0，但一个地址中只能使用1次双冒号，上面的地址可以缩写为 fe80::b002:d7a:e02b:92c1

  • 地址中的十六进制字符大小写不敏感

  • 地址最后还会有%百分号，表示网卡的端口号，比如fe80::b002:d7a:e02b:92c1%13表示，表示该地址仅限于13号的网络接口，而在其他网络接口是无效的

  • 地址分为两个部分：网络号+接口号，网络号是分配的，接口 ID 可以从接口的MAC地址自动配置，也可以采用 EUI-64 格式手动配置，其中接口号必须保证在一条link上是唯一的；一台主机可以在不同的link上使用相同的接口号；

image.png

3. 单播地址

  • 按照IP地址可到达的范围，单播地址又分为4类：

    • 可聚合的公网地址(aggregatable global address)
    • 本地链路地址(link-local address)
    • IPV4转换地址
    • 特殊地址

  • 可聚合的公网地址：

    • 与IPV4的公网地址意义类似，可以被公网全局路由和访问，可聚合的意思是可以像超网CIDR那样对网络前缀（prefix)进行合并，这样可以有效降低路由表的容量；

    • 由公网路由前缀（由IANA负责分配给各个运营商或站点），子网ID(类似IPV4中的subnet相同，一般由运营商分配)和接口ID（标识主机）

    • 协议规定，除了起始3位二进制数字是000的公网地址外，其他所有公网地址(起始3位从001到111)的接口ID必须都是64位，如下图：

image.png

- 截至发稿，IANA分配的公网地址只限于2000::/3即001开头
| 3 |     45 bits         |  16 bits  |   64 bits       |
+---+---------------------+-----------+-----------------+
|001|global routing prefix| subnet ID |  interface ID   |
+---+---------------------+-----------+-----------------+

- 另外000打头的地址，目前被用来做IPV4的映射地址，后面会讲到

  • 本地链接地址 Link-local

    • 它是用与与在同一个link上的其他接口进行通信使用的地址，可以用于邻居发现(neighbor discover)，带有该地址的IP包不能被路由，效果和IPV4中的169.254.0.0/16 prefix类似；

    • 所有IPV6的接口必须有且只有一个本地链接的单播地址；

    • 所有的本地链接地址都是自动配置的，地址格式：前缀统一是1111111010 或FE80::/10；

image.png

  • V4与V6地址转换

    • IPV6协议中定义了两种V4转V6的方式：兼容式（IPv4 compatible IPv6 address）和映射式（IPv4-mapped IPv6 address）；

    • 映射式是目前唯一保留的转换方式，应用场景是在IPV6系统中表示一个IPV4的节点；对最左边80bits固定是0，接下去的16bit固定为ffff，对最右边 32 个位指定十进制值，用来嵌入 IPv4 地址，比如：0:0:0:0:0:ffff:192.1.56.10或::ffff:192.1.56.10/96

image.png

- 兼容式目前已经被废，应用场景是使用IPV4网络发送IPV6的数据包时，给这些数据包分配可以适配IPV4路由的地址；
  • 特殊地址：

    • ::1或0:0:0:0:0:0:0:1，环回地址，功能和IPV4中的127.x.x.x一样；

    • 0:0:0:0:0:0:0:0或::/128，未指定地址，不能分配给主机，如果看到主机地址是它的话，表明该主机没有地址；

本地唯一单播地址Unique Local Unicast Addresses

单独把它拿出来，是因为按照协议，IETF协议并没有归属到unicast地址类型中，而是单独的一类。

image.png

  • 前缀是由协议规定的FC00::/7, 即网络前缀的前7位固定是：1111110；

  • L 指示的是global id的生成方法，目前默认是1；

  • GLOBAL ID，使用伪随机算法生成的global ID，使其防碰撞性加强，并且也更加明确这些地址不能被公网路由，且这些前缀不能像超网那样被合并；通过这样的配置，可以有2^41个不同的网络前缀，以目前的世界人口来说，每人可以分配236个；

  • subnet id，是在本地站点内部分配的子网ID；

  • 接口ID，和unicast的接口ID生成方式一致；

  • 本地唯一单播地址，同样是全球唯一的，这里的全球唯一说的就是它的前缀，一共48bits是唯一的；

  • 该地址不能用于公网通信，而是只用于本地通信，比如本地站点或本地组织内进行路由；

  • 如果本地站点合并的话，可以不需要重新编号，因为它本身就是唯一的；

  • 可以被网络运营商用来做私网地址；即便发生了网络泄露，也不会和公网的地址发生冲突，但IETF强烈不建议这么做；

  • 对于应用程序来说，这些地址和公网地址没有实质区别；

以上是IPV6地址格式，以及单播地址的详细介绍，下一节会详细介绍IPV6的anycast和multicast地址，感谢阅读，如有不准确和错误之处请留言指正，我会立即修正，感谢！



总结不易，请勿私自转载，否则别怪老大爷不客气

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参考资料：

《IP Version 6 Addressing Architecture》 IETF datatracker.ietf.org/doc/html/rf…

《IPv6 Global Unicast Address Format》 IETF datatracker.ietf.org/doc/html/rf…

《Internet Protocol Version 6 Address Space》 IANA www.iana.org/assignments…

《第 3 章 IPv6 介绍（概述）》 Oracle Corporation docs.oracle.com/cd/E19253-0…

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