協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)——IPV6技術(shù)白皮書（三）

2019-11-04 12:04:50

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供稿：網(wǎng)友

　　ipv6協(xié)議技術(shù)特點(diǎn)
　　
　　3.1 IPv6相對于IPv4有哪些較為顯著的優(yōu)勢？
　　
　　相對于IPv4，IPv6有如下一些顯著的優(yōu)勢：
　　
　　（1）地址容量大大擴(kuò)展，由原來的32位擴(kuò)充到128位，徹底解決IPv4地址不足的問題；支持分層地址結(jié)構(gòu)，從而更易于尋址；擴(kuò)展支持組播和任意播地址，這使得數(shù)據(jù)包可以發(fā)送給任何一個(gè)或一組節(jié)點(diǎn)；
　　
　　（2）大容量的地址空間能夠真正的實(shí)現(xiàn)無狀態(tài)地址自動(dòng)配置，使IPv6終端能夠快速連接到網(wǎng)絡(luò)上，無需人工配置，實(shí)現(xiàn)了真正的即插即用；
　　
　　（3）報(bào)頭格式大大簡化，從而有效減少路由器或交換機(jī)對報(bào)頭的處理開銷，這對設(shè)計(jì)硬件報(bào)頭處理的路由器或交換機(jī)十分有利；
　　
　　（4）加強(qiáng)了對擴(kuò)展報(bào)頭和選項(xiàng)部分的支持，這除了讓轉(zhuǎn)發(fā)更為有效外，還對將來網(wǎng)絡(luò)加載新的應(yīng)用提供了充分的支持；
　　
　　（5）流標(biāo)簽的使用讓我們可以為數(shù)據(jù)包所屬類型提供個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并有效保障相關(guān)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量；
　　
　　（6）認(rèn)證與私密性：IPv6把IPSec作為必備協(xié)議，保證了網(wǎng)絡(luò)層端到端通信的完整性和機(jī)密性；
　　
　　（7）IPv6在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和實(shí)時(shí)通信方面有很多改進(jìn)。非凡地，不像IPv4，IPv6具備強(qiáng)大的自動(dòng)配置能力從而簡化了移動(dòng)主機(jī)和局域網(wǎng)的系統(tǒng)治理。
　　
　　3.2 報(bào)頭結(jié)構(gòu)
　　
　　3.2.1 IPv6的報(bào)頭結(jié)構(gòu)是怎樣的？
　　
　　新的IPv6報(bào)頭的結(jié)構(gòu)比IPv4簡單得多， IPv6報(bào)頭中刪除了IPv4報(bào)頭中許多不常用的域，放入了可選項(xiàng)和報(bào)頭擴(kuò)展中；IPv6中的可選項(xiàng)有更嚴(yán)格的定義。IPv4中有10個(gè)固定長度的域、2個(gè)地址空間和若干個(gè)選項(xiàng)，IPv6中只有6個(gè)域和2個(gè)地址空間。
　　
　　雖然IPv6報(bào)頭占40字節(jié)，是24字節(jié)IPv4報(bào)頭的1.6倍，但因其長度固定（IPv4報(bào)頭是變長的），故不需要消耗過多的內(nèi)存容量。
　　
　　IPv4中的報(bào)頭長度（header length）、服務(wù)類型（type of service，TOS）、標(biāo)識(shí)符（identification）、標(biāo)志（flag）、分段偏移（fragment offset）和報(bào)頭校驗(yàn)和（header　checksum）這6個(gè)域被刪除。報(bào)文總長（total length）、協(xié)議類型（PRotocol type）和生存時(shí)間（time to live，TTL）3個(gè)域的名稱或部分功能被改變，其選項(xiàng)（options）功能完全被改變，新增加了2個(gè)域，即優(yōu)先級和流標(biāo)簽。
　　
　　下圖為具體的IPv4與IPv6報(bào)頭比較。
　　
　　表1 IPv4包頭格式
　　
　　4bit版本號(hào)
　　
　　4bit報(bào)頭長度
　　
　　8bit服務(wù)類型
　　
　　16bit數(shù)據(jù)包長度
　　
　　標(biāo)識(shí)符（16bit）
　　
　　標(biāo)志(4bit)
　　
　　分段偏移（12bit）
　　
　　生存時(shí)間（8bit）
　　
　　傳輸協(xié)議（8bit）
　　
　　報(bào)頭校驗(yàn)和（16bit）
　　
　　源IP地址（32bit）
　　
　　目的IP地址（32bit）
　　
　　選項(xiàng)（24bit）
　　
　　填充(8bit)
　　
　　表2 ipv6包頭格式
　　
　　4bit版本號(hào)
　　
　　4bit優(yōu)先級
　　
　　24bit流標(biāo)簽
　　
　　凈荷長度(16bit)
　　
　　下一報(bào)頭(8bit)
　　
　　HOP限制(8bit)
　　
　　源IP地址（128bit）
　　
　　目的IP地址（128bit）
　　
　　3.3 地址問題
　　
　　3.3.1 為什么IPv6協(xié)議的地址長度是128位？
　　
　　有些人也許要問，IPv4地址不夠用，那我在IPv4上再增加幾位地址表示就行了，何必非要是IPv6的128位呢？這種提問是對芯片設(shè)計(jì)及CPU處理方式不理解造成的，同時(shí)也對未來網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展沒有充分的預(yù)見性。芯片設(shè)計(jì)中數(shù)值的表示我們知道是全用“0”、“1”代表，CPU處理字長發(fā)展到現(xiàn)在分別經(jīng)歷了4位、8位、16位、32位、64位等，我們知道，在計(jì)算機(jī)中，當(dāng)數(shù)據(jù)能用2的指數(shù)次冪字長位的二進(jìn)制數(shù)表示時(shí)，CPU對數(shù)值的處理效率最高。IPv4地址對應(yīng)的是32比特字長就是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的互聯(lián)網(wǎng)上的主機(jī)CPU字長為32位。現(xiàn)在的64位機(jī)已十分普及，128位機(jī)正在成長中。將地址定為64位在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性上顯得不足，定為其它的一個(gè)長度在硬件芯片設(shè)計(jì)、程序編制方面的效率都將下降，因此從處理效率和未來網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性上考慮，將IPv6的地址長度定為128位是十分合適的。
　　
　　3.3.2 IPv6的128位地址是一個(gè)什么概念？
　　
　　IPv6提供128位的地址空間，IPv6所能提供的巨大的地址容量可以從以下幾個(gè)方面來說明：
　　
　　共有2128個(gè)不同的IPv6地址，也就是全球可分配地址數(shù)為340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456個(gè)；
　　
　　若按土地面積分配，每平方厘米可獲得2.2*1020個(gè)地址。
　　
　　IPv6地址耗盡的機(jī)會(huì)是很小的。在可預(yù)見的很長時(shí)期內(nèi)，IPv6的128位地址長度形成的巨大的地址空間能夠?yàn)樗锌梢韵胂蟪龅木W(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個(gè)全球唯一的地址，IPv6充足的地址空間將極大地滿足那些伴隨著網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備的出現(xiàn)而對地址增長的需求，例如個(gè)人數(shù)據(jù)助理（PDA）、移動(dòng)電話（Mobile Phone）、家庭網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備（HAN）等。
　　
　　3.3.3 IPv6地址是如何表示的？
　　
　　IPv4地址表示為點(diǎn)分十進(jìn)制格式，32位的地址分成4個(gè)8位分組，每個(gè)8位寫成十進(jìn)制，中間用點(diǎn)號(hào)分隔。而IPv6的128位地址則是以16位為一分組，每個(gè)16位分組寫成4個(gè)十六進(jìn)制數(shù)，中間用冒號(hào)分隔，稱為冒號(hào)分十六進(jìn)制格式。例如:21DA:00D3:0000:2F3B:02AA:00FF:FE28:9C5A 是一個(gè)完整的IPv6地址。
　　
　　IPv6的地址表示有以下幾種非凡情形：
　　
　　IPv6地址中每個(gè)16位分組中的前導(dǎo)零位可以去除做簡化表示，但每個(gè)分組必須至少保留一位數(shù)字。如上例中的地址，去除前導(dǎo)零位后可寫成:21DA:D3:0:2F3B:2AA:FF:FE28:9C5A。
　　
　　某些地址中可能包含很長的零序列，為進(jìn)一步簡化表示法，還可以將冒號(hào)十六進(jìn)制格式中相鄰的連續(xù)零位合并，用雙冒號(hào)“::”表示。“::”符號(hào)在一個(gè)地址中只能出現(xiàn)一次，該符號(hào)也能用來壓縮地址中前部和尾部的相鄰的連續(xù)零位。例如地址1080:0:0:0:8:800:200C:417A，0:0:0:0:0:0:0:1，0:0:0:0:0:0:0:0分別可表示為壓縮格式1080::8:800:200C:417A，::1，:: 。
　　
　　在IPv4和IPv6混合環(huán)境中，有時(shí)更適合于采用另一種表示形式：x:x:x:x:x:x:d.d.d.d，其中x是地址中6個(gè)高階16位分組的十六進(jìn)制值，d是地址中4個(gè)低階8位分組的十進(jìn)制值（標(biāo)準(zhǔn)IPv4表示）。例如地址0:0:0:0:0:0:13.1.68.3 ，0:0:0:0:0:FFFF:129.144.52.38 寫成壓縮形式為::13.1.68.3，::FFFF.129.144.52.38 。
　　
　　要在一個(gè)URL中使用文本IPv6地址，文本地址應(yīng)該用符號(hào)“[”和“]”來封閉。例如文本IPv6地址FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210寫作URL示例為http://[FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210]:80/index.Html。
　　
　　3.3.4 IPv6地址為128位，配地址豈不是要花費(fèi)很多時(shí)間？
　　
　　IPv6協(xié)議支持地址自動(dòng)配置，這是一種即插即用的機(jī)制。IPv6節(jié)點(diǎn)通過地址自動(dòng)配置得到IPv6地址和網(wǎng)關(guān)地址。
　　
　　IPv6支持無狀態(tài)地址自動(dòng)配置和狀態(tài)地址自動(dòng)配置兩種地址自動(dòng)配置方式。在無狀態(tài)地址自動(dòng)配置方式下，需要配置地址的網(wǎng)絡(luò)接口先使用鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制獲得一個(gè)鏈路本地地址。網(wǎng)絡(luò)接口得到這個(gè)鏈路本地地址之后，再接收路由器宣告的地址前綴，結(jié)合接口標(biāo)識(shí)得到一個(gè)全球地址。而狀態(tài)地址自動(dòng)配置的方式，如動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP），需要一個(gè)DHCP服務(wù)器，通過客戶機(jī)/服務(wù)器模式從DHCP服務(wù)器處得到地址配置的信息。
　　
　　3.3.5　IPv6地址都有哪些類型？
　　
　　所有類型的IPv6地址都被分配到接口，而不是節(jié)點(diǎn)。IPv6地址是單個(gè)或一組接口的128位標(biāo)識(shí)符，有三種類型：
　　
　　(1) 單播（Unicast）地址
　　
　　單一接口的標(biāo)識(shí)符。發(fā)往單播地址的包被送給該地址標(biāo)識(shí)的接口。對于有多個(gè)接口的節(jié)點(diǎn)，它的任何一個(gè)單播地址都可以用作該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)符。IPv6單播地址是用連續(xù)的位掩碼聚集的地址，類似于CIDR的IPv4地址。IPv6中的單播地址分配有多種形式，包括全部可聚集全球單播地址、NSAP地址、IPX分級地址、站點(diǎn)本地地址、鏈路本地地址以及運(yùn)行IPv4的主機(jī)地址。單播地址中有下列兩種非凡地址：
　　
　　不確定地址
　　
　　單播地址0:0:0:0:0:0:0:0稱為不確定地址。它不能分配給任何節(jié)點(diǎn)。它的一個(gè)應(yīng)用示例是初始化主機(jī)時(shí)，在主機(jī)未取得自己的地址以前，可在它發(fā)送的任何IPv6包的源地址字段放上不確定地址。不確定地址不能在IPv6包中用作目的地址，也不能用在IPv6路由頭中；
　　
　　回環(huán)地址
　　
　　單播地址0:0:0:0:0:0:0:1稱為回環(huán)地址。節(jié)點(diǎn)用它來向自身發(fā)送IPv6包。它不能分配給任何物理接口。
　　
　　(2) 任意播（AnyCast）地址
　　
　　一組接口（一般屬于不同節(jié)點(diǎn)）的標(biāo)識(shí)符。發(fā)往任意播地址的包被送給該地址標(biāo)識(shí)的接口之一（路由協(xié)議度量距離最近的）。IPv6任意播地址存在下列限制：
　　
　　· 任意播地址不能用作源地址，而只能作為目的地址；
　　
　　· 任意播地址不能指定給IPv6主機(jī)，只能指定給IPv6路由器；
　　
　　IPv6任意播地址
　　
　　(3) 組播（MultiCast）地址
　　
　　一組接口（一般屬于不同節(jié)點(diǎn)）的標(biāo)識(shí)符。發(fā)往多播地址的包被送給該地址標(biāo)識(shí)的所有接口。地址開始的11111111標(biāo)識(shí)該地址為組播地址。
　　
　　IPv6組播地址
　　
　　IPv6中沒有廣播地址，它的功能正在被組播地址所代替。另外，在IPv6中，任何全“0”和全“1”的字段都是合法值，除非非凡地排除在外的。非凡是前綴可以包含“0”值字段或以“0”為終結(jié)。一個(gè)單接口可以指定任何類型的多個(gè)IPv6地址（單播、任意播、組播）或范圍。
　　
　　3.3.6 什么是IPv6的可聚集全球單播地址？
　　
　　IPv6為點(diǎn)對點(diǎn)通信設(shè)計(jì)了一種具有分級結(jié)構(gòu)的地址，這種地址被稱為可

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