第6章 IPv6协议

第6章IPv6协议(研究生课程：计算机网络高级教程)第6章IPv6协议IPv6协议包含的基本内容6.1IPv6协议的基本概念IPv4协议的局限性：(1)IP地址空间耗尽问题(2)NAT对性能、安全、应用的消极影响(3)Internet骨干路由器维护大路由表的能力(4)更简便配置IP地址的需求(5)IP安全性的需求(6)对网络层实时数据传输服务质量QoS的更高要求IPv6协议研究与发展的过程1993年，IETF成立了研究下一代IP协议的IPng工作组1994年，IPng工作组提出了下一代IP协议的推荐版本1995年，IPng工作组完成IPv6的协议版本1996年，IETF发起建立全球IPv6实验床6BONE1998年，IETF启动IPv6教育研究网6REN1999年，成立IPv6论坛，正式分配IPv6地址，IPv6协议成为标准草案2000年，欧洲电信标准协会ETSI开始进行了65次Plugtest测试2001年，主要的操作系统WindowsXP、Linux、Solaris支持IPv6协议2003年，主要网络硬件厂商开始推出支持IPv6协议的网络产品我国在IPv6研究的发展1998年，加入IPv6实验床6BONE计划2003年，启动下一代网络示范工程CNGI2006年4月，ETSI在北京组织对中国20多家国内外企业研发与IPv6相关的产品与协议的互操作性进行了“IPv6Ready”测试近几年我国政府、企业、电信运营商和大学、研究机构对IPv6的研发和试验活动：CNGI工程、6TNet下一代IP电信实验网、CERNET2的IPv6试验、中国高速互联研究试验网络NSFCNE、湖南电信IPv6实验网、中日IPv6合作项目”（IPv6-CJ）、中科院IPv6城域示范网、国家863计划“高性能宽带信息网”（3Tnet）目前，国内很多高校已在建设校园内的IPv6网络(局部)，并接入CERNET2；211高校最终都要接入CERNET2，目前已掀起建设局部IPv6网/IPv6网络实验室的热潮IPv6的主要特征新的格式—最大程度地减少协议头的开销地址长度定为l28位—提供多达超过3.4×1038个IP地址有效的分级寻址和路由结构—路由器寻址简便有状态和无状态的地址自动配置—简化主机配置内置的安全性—为网络安全性提供了一种标准的解决方案更好地支持QoS—提高了服务质量邻结点发现协议取代了ARP、ICMPv4、IGMPv4协议—简化了协议结构新的扩展协议头—方便了功能的扩展IPv6的基本术语1.结点2.路由器3.主机4.上层协议5.局域网段6.链路7.子网8.网络9.邻结点10.接口11.地址12.分组13.链路MTU14.路径MTU6.2IPv6地址6.2.1IPv6地址表示方法(1)IPv6地址的基本表示方法冒号十六进制表示法：一个位段16位，八个位段，冒号分开如21DA:0000:0000:0000:02AA:000F:FE08:9C5A(2)零压缩法通过压缩某些位段的前导0，可以进一步简化IPv6地址表示。如上例简化为21DA:0:0:0:2AA:F:FE08:9C5A如果几个连续位段值都为0，则可简写为::双冒号表示法。如上例又可简化为21DA::2AA:F:FE08:9C5A但双冒号在一个IPv6地址中只能出现一次。6.2IPv6地址(3)IPv6前缀IPv6不支持子网掩码，它只支持前缀长度表示法。IPv6前缀可以用“IPv6地址/前缀长度”来表示，用作IPv6路由或子网标识。如21DA:D3:0:2F3B::/64是一个子网前缀，21DA:0:D3::/48是一个路由前缀。128位的IPv6单播地址中，用于标识子网的位数为64位，用于标识子网内的接口ID也是64位。64位前缀用来表示结点所在的单个子网，所有子网都有相应的64位前缀。任何少于64位的前缀，要么是一个路由前缀，要么就是包含了部分IPv6地址空间的一个地址前缀。6.2.2IPv6地址类型单播地址,组播地址,泛播地址(任播地址),特殊地址IPv6地址类型1.单播地址(unicast)(1)可集聚全球单播地址(简称为全球单播地址或单播地址)是IPv6的公网地址。类似于IPv4的单播地址。具有该地址的分组，可以在全球范围内的IPv6网络中有效地路由和转发。IPv6地址全球单播地址可以支持有效的多级寻址和路由，可以按有利于寻址的路由层次结构去组织和集聚。全球单播地址用格式前缀“001”标识,也即冒号分十六进制2或3开始。TLAID—路由层次结构的最高层，由Internet地址授权机构IANA来管理的分配给地区的Internet注册机构；NLAID—ISP在自己网络中建立多级的寻址结构，组织寻址和路由，识别下属的机构站点;SLAID—用于在一个单独的机构内部标识自己站点中的子网。地址结构与网络结构1.单播地址因此，IPv6全球单播地址中的前64位网络前缀部分可以这样分层次划分：全球路由前缀字段：标识了路由层次结构的最高层，由IANA分配给全球范围内大的ISP(如中国电信ISP)；子网ID：大ISP在自己网络中建立的多级寻址结构，如寻址下级ISP和下属机构，如中国电信ISP寻址各省市的ISP，以及分配给下属的机构站点，最低的几位可以在一个单独的机构内部(如苏大)标识自己站点中的子网。接口ID：标识结点与子网的接口,64位的EUI-64地址,由网卡MAC地址映射，或手工、随机生成接口ID。1.单播地址全球单播地址支持三层拓扑层次的结构。第一层：公共拓扑。用于多个ISP的集合，可表示出多个ISP的层次结构；第二层：站点拓扑。可表示出一个部门内部子网的层次结构；第三层：接口标识。唯一地标识了结点的接口。(2)本地使用的单播地址链路本地地址----用于同一链路上的相邻结点之间的通信站点本地地址----用于同一机构中的结点之间的通信1.单播地址链路本地地址（FE80::/64）：用于同一链路上的相邻结点之间的通信格式前缀：“1111111010”作用范围：本地链路配置方式：自动配置站点本地地址（FEC0::/48）：用于同一机构中内网结点之间的通信格式前缀：“1111111011”原设计用于：对应IPv4的专用地址空间(如10.0.0.0/8，172.16.0.0/12，192.168.0.0/16等私用地址)，是不好的设计，最新的RFC已废除，但还有使用。（FE80::/64）（FEC0::/48，现已废除）1.单播地址(3)IPv6与IPv4兼容地址IPv4兼容地址(又称IPv4兼容的IPv6地址，最新RFC已废除，但一些地方还有使用)：记为0:0:0:0:0:0:W.X.Y.Z或::W.X.Y.Z其中，W.X.Y.Z是用点分十进制表示的IPv4地址。IPv4映射地址：(又称嵌有IPv4的IPv6地址)记为0:0:0:0:0:FFFF:W.X.Y.Z或::FFFF:W.X.Y.Z用于将一个只支持IPv4结点的IPv4地址改变成IPv6地址2.组播地址组ID：标识组播组，长度为112位，因此可以生成2112个组。建议使用112位中的低32位，其余80位置0.FF01::--FF0F::是保留的专用组播地址,它们是：FF01::1为结点本地范围所有结点的组播地址FF02::1为链路本地范围所有结点的组播地址FF01::2为结点本地范围所有路由器的组播地址FF02::2为链路本地范围所有路由器的组播地址FF05::2为站点本地范围所有路由器的组播地址如要表示一个全球范围能访问的组，则要用FF0E::组号表示3.泛播地址(anycast)泛播地址用于一个结点对多个结点中的一个结点通信。泛播也称为任播。带有泛播地址的分组将被路由器转发给与其连接的一组不同结点的网络接口中与它距离最近的一个网络接口。例如：当一个移动用户接入网络中时，因为地理位置的不同，它需要寻找一个离它最近的接收结点，此时可用泛播地址。泛播地址仅用作目标地址，目前只分配给路由器。子网-路由器泛播地址：子网前缀部分：子网前缀的值地址其余位：全0所有连接到一个子网的路由器接口，都有这个子网的子网-路由器泛播地址，用于同连接到特定子网的最近的路由器进行通信。子网-路由器泛播地址子网-路由器泛播地址：所有连接到一个子网的路由器接口，都有这个子网的“子网-路由器泛播地址”，当一个通信的目的地址为“子网-路由器泛播地址”时，选择路由到该子网中距离最近的那个路由器。如下图中，路由器1、2、3有相同的“子网-路由器泛播地址”，主机A发送信包到该泛播目的地址时，实际上A选择路由到距离最近的路由器1。子网4.特殊地址保留地址：0:0:0:0:0:0:0:0或::,它与IPv4中的0.0.0.0相同。回送地址：0:0:0:0:0:0:0:1或::1,它与IPv4中的127.0.0.1相同。6.2.3主机IPv6地址与路由器IPv6地址主机可能具有的IPv6地址：因为IPv6地址是按传输类型分类的，一台主机通过一块网卡接入网络中，一块网卡接口会分配有多个IPv6地址。主机可能具有的IPv6单播地址有：(1)接口的链路本地地址–用于本地链路通信(2)接口的全球单播地址–用于可路由的全球单播地址(3)回送地址（::1）主机IPv6地址与路由器IPv6地址主机需要随时侦听的地址类型：(1)发给结点本地范围内所有结点的组播地址(FF01::1)的分组(2)发给链路本地范围内所有结点的组播地址(FF02::1)的分组(3)发给本结点的单播地址的分组(4)发给同组组播地址的分组路由器每个接口可能具有的IPv6地址：(1)链路本地地址(2)全球单播地址(3)回送地址（::1）路由器每个接口还可能具有以下IPv6泛播地址：(1)子网-路由器泛播地址(2)附加泛播地址(可选)主机IPv6地址与路由器IPv6地址IPv6路由器接口需要随时侦听的地址类型：(1)发给结点本地范围内所有结点的组播地址(FF01::1)的分组(2)发给结点本地范围内所有路由器的组播地址(FF01::2)的分组(3)发给链路本地范围内所有结点的组播地址(FF02::1)的分组(4)发给链路本地范围内所有路由器的组播地址(FF02::2)的分组(5)发给站点本地范围内所有路由器的组播地址(FF05::2)的分组(6)发给该路由器接口全球单播地址的分组(7)发给该路由器接口同组组播地址的分组IPv6地址与IPv4地址的比较IPv6接口标识符1.接口标识符与MAC地址(由Ethernet48位MAC地址扩展，或随机产生)2.基于EUI-64地址的接口标识符(1)EUI-48地址I/G位=0单播,=1多播U/L位=0本地,=1全球(2)EUI-64地址IPv6接口标识符(3)获得IPv6接口标识符IPv6接口标识符临时地址IPv6接口标识符拨号连接及有的时候，要提供与IPv4相同程度的匿名性，这时可以创建、计算得到一个随机接口标识符，产生的IPv6地址为临时地址。确定生成接口ID的四种方法：所有001—111前缀的单播(即除000前缀以外)，必须从EUI-64生成；随机生成；有状态的自动配置(如使用DHCPv6)；手工生成。将IPv6多播地址映射为Ethernet多播地址将目的地址为IPv6多播地址的信包送数据链路层封装成Ethernet帧时，其目的地址字段也是Ethernet的多播地址，此时用映射得到：如：链路本地IPv6多播地址FF02::1，映射成的以太多播硬件地址为33-33-00-00-00-01。若目的结点IPv6多播地址为FF02::1:1A:22:A1，则与其对应的以太多播硬件地址为33-33-00-22-00-A1IPv6报头IPv6将首部长度变为固定的40字节，称为基本首部(baseheader)。将不必要的功能取消了，首部的字段数减少到只有8个。取消了首部的检验和字段，加快了路由器处理数据报的速度。在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部。所有的扩展首部和数据合起来叫做数据报的有效载荷(payload)或净负