4.3 IPv6
对应王道教材 4.3 节（教材 P181–P185）· 本节属于 408 考纲范围
4.3.1 IPv6 的特点 考点
目前广泛使用的 IPv4 是在 20 世纪 70 年代设计的。互联网经过几十年的飞速发展，到 2011 年 2 月，IPv4 地址已经耗尽。为解决"IP 地址耗尽"问题，采取过三种措施：
- 无类别编址 CIDR：使 IP 地址分配更加合理；
- 网络地址转换（NAT）：节省全球唯一的公网 IP 地址；
- IPv6：采用更大地址空间的新版本 IP 协议。
前两种方法只是延缓了 IPv4 的使用寿命，只有第三种方法能从根本上解决 IP 地址耗尽问题。
IPv6 的主要特点如下：
- 更大的地址空间：这是最重要的。IPv6 将地址长度从 IPv4 的 32 位增大到 128 位，地址空间是 IPv4 的 \(2^{128}/2^{32}=2^{96}\) 倍，从长远来看绝对够用；
- 扩展的地址层次结构：地址空间很大，可以划分出更多的层次；
- 灵活的首部格式：IPv6 定义了许多可选的扩展首部，不仅能提供比 IPv4 更多的功能，还能提高路由器的处理效率——因为路由器通常不对扩展首部进行处理；
- 改进的选项：IPv6 首部长度是固定的，选项放在有效载荷中，可根据需要灵活配置；而 IPv4 预先定义好了一套标准选项，放在首部的可变部分；
- 允许协议继续扩充：IPv6 允许不断扩充功能，而 IPv4 的功能是固定不变的；
- 支持即插即用（自动配置 IPv6 地址）：通常不需要使用 DHCP，简化了网络管理；
- 支持资源的预分配：支持实时音频/视频等要求保证一定带宽和时延的应用；
- 只有源主机才能分片：只支持端到端的分片，不允许中间路由器进行分片；
- 首部长度固定为 40B：而 IPv4 的首部长度是可变的（必须是 4B 的整数倍）；
- 增大了安全性：身份鉴别和保密功能由 IPv6 的扩展首部提供。
虽然 IPv6 与 IPv4 不兼容，但它与所有其他互联网协议（如 TCP、UDP、ICMP、IGMP 和 DNS 等）总体上是兼容的，仅在少数地方做了必要的修改，主要是为了处理更长的地址。
4.3.2 IPv6 数据报的基本首部 考点
IPv6 数据报由两部分组成：基本首部和有效载荷（也称净负荷）。有效载荷由零个或多个扩展首部（扩展首部不属于基本首部）及其后面的数据部分构成，有效载荷最长不超过 65535 字节。
与 IPv4 相比，IPv6 对首部中的某些字段进行了如下调整：
- 取消了首部长度字段，因为基本首部长度固定为 40B；
- 取消了服务类型字段，其功能由优先级和流标号字段实现；
- 取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段；
- 取消了标识、标志和片偏移字段，相关功能已移至分片扩展首部；
- 把 TTL 字段更名为跳数限制字段，作用不变，但名称更贴合实际含义；
- 取消了协议字段，改用下一个首部字段；
- 取消了首部检验和字段，因传输层已提供差错检测，此举可加快路由器处理速度；
- 取消了选项字段，其功能由灵活的扩展首部实现。
尽管取消了 IPv4 首部中的多项冗余功能，使 IPv6 基本首部的字段数减少至仅 8 个，但由于地址长度从 32 位扩展到 128 位，其基本首部长度反而增至 40B。
IPv6 数据报的基本首部格式如图 4.13 所示。
基本首部各字段的含义如下：
- 版本：占 4 位，指明 IP 协议的版本。对于 IPv6，该字段的值为 6；
- 通信量类：占 8 位，用于区分不同 IPv6 数据报的类别或优先级；
- 流标号：占 20 位。IPv6 提出了"流"的抽象概念：流是指互联网上从特定源点到特定终点（单播或多播）的一系列数据报（如实时音频/视频传输），路径上的路由器可据此提供特定的服务质量保证。所有属于同一个流的数据报都具有相同的流标号；
- 有效载荷长度：占 16 位，表示 IPv6 数据报中基本首部之后的字节数，包括所有扩展首部和上层数据，最大值为 65535（单位为字节）；
- 下一个首部：占 8 位，功能类似于 IPv4 的协议字段。若无扩展首部，则标识上层协议类型；若存在扩展首部，则标识紧随其后的第一个扩展首部的类型；
- 跳数限制：占 8 位，作用等同于 IPv4 的 TTL 字段。源主机在发送数据报时设定初始值（最大为 255），每经过一个路由器其值减 1，减至 0 时丢弃该数据报；
- 源地址和目的地址：各占 128 位，分别表示数据报的发送方/接收方的 IPv6 地址。
4.3.3 IPv6 地址 考点
1．三种基本地址类型
IPv6 数据报的目的地址有以下三种基本类型：
- 单播：即传统的点对点通信，数据报发送给唯一指定的接收方；
- 多播：一点对多点的通信，数据报发送给所有加入该多播组的接口；
- 任播：IPv6 新增的一种地址类型，特点可概括为"一名多用、就近交付"。任播地址标识一组接口，但网络会将数据报仅交付给其中路由距离最近的一个。
2．冒号十六进制记法与缩写规则
IPv4 地址通常采用点分十进制表示法。若 IPv6 也沿用此方式，其 128 位地址将显得冗长。因此 IPv6 标准采用冒号十六进制记法：将地址划分为 8 组，每组 16 位（4 个十六进制数），各组之间用冒号分隔。例如：
为了书写方便，还规定了如下两种缩写规则：
- 省略前导零：每组中前面连续的十六进制零可以省略，但至少要保留一个数字。例如，可以把地址 4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2176 缩写为 4BF5:0:0:0:BA5F:39A:A:2176；
- 双冒号替换连续全零组：当地址中出现一个或多个连续的全零组时，可用双冒号（::）替代。但 "::" 在一个地址中只能使用一次，否则无法确定省略了多少个全零组（因总组数需恢复为 8）。因此上述地址可被更紧凑地缩写为 4BF5:BA5F:39A:A:2176。
已知某 IPv6 地址的简化写法为 8::D0:123:CDEF:89A，求其完整地址。步骤如下：
- 先把零压缩的部分展开：8::D0:123:CDEF:89A 表示 "::" 替代了中间若干连续全零组，展开骨架得到 8:0000:0000:0000:D0:123:CDEF:89A（共 8 组）；
- 每个区域应该有 4 位十六进制数，不足 4 位表示开头的 0 被省略，须在前面补 0；
- 补齐后得到完整地址：0008:0000:0000:0000:00D0:0123:CDEF:089A。
注意两条要点的配合：① 多个连续区域为 0 可进行零压缩，但一个地址仅可出现一次零压缩；② 每个区域开头的 0 可省略，结尾的 0 不可省略。当有多处不相邻的 0 时，只能用 "::" 代表其中一处。
3．IPv6 地址的分类
| 地址类型 | 二进制前缀 | CIDR 记法 |
|---|---|---|
| 未指明地址 | 00…0（128 位） | ::/128 |
| 环回地址 | 00…1（128 位） | ::1/128 |
| 多播地址 | 11111111（8 位） | FF00::/8 |
| 本地链路单播地址 | 1111111010（10 位） | FE80::/10 |
| 全球单播地址 | 见图 4.14 的几种划分方法 | |
对五类地址解释如下：
- 未指明地址：不能用作目的地址，仅用于尚未配置 IPv6 地址的主机作为源地址；
- 环回地址：作用与 IPv4 的环回地址相同，但 IPv6 中仅定义这一个环回地址；
- 多播地址：作用与 IPv4 多播类似，这类地址占 IPv6 地址空间的 1/256；
- 本地链路单播地址：仅用于本地链路内的通信，不能被路由器转发；
- 全球单播地址：使用得最多的地址。其划分方法非常灵活，如图 4.14 所示：可以把整个 128 位都作为一个节点的地址；也可用 \(n\) 位作为子网前缀，剩下的 \((128-n)\) 位作为接口标识符（相当于 IPv4 的主机号）；还可以划分为三级：用 \(n\) 位作为全球路由选择前缀，用 \(m\) 位作为子网前缀，而剩下的 \(128-n-m\) 位则作为接口标识符。
4.3.4 从 IPv4 向 IPv6 过渡 考点
IPv4 向 IPv6 的过渡只能采用逐步演进的办法，并确保新部署的 IPv6 系统具备向后兼容的能力：能够接收、转发 IPv4 数据报，并为其选择路由。
目前主要采用以下两种过渡策略：
- 双协议栈：指在一台主机上同时安装 IPv4 和 IPv6 两个协议栈，分别配置一个 IPv4 地址和一个 IPv6 地址，因此既能与 IPv4 网络通信，也能与 IPv6 网络通信。双协议栈主机通过应用层的域名系统（DNS）获知目的主机使用的地址类型：若 DNS 返回的是 IPv4 地址，则使用 IPv4；若返回的是 IPv6 地址，则使用 IPv6；
- 隧道技术：指当 IPv6 数据报需要进入 IPv4 网络时，将其整个封装为 IPv4 数据报的数据部分，使原 IPv6 数据报如同在 IPv4 网络的隧道中传输；当该 IPv4 数据报离开 IPv4 网络后，再将其数据部分交由主机的 IPv6 协议处理。
| 对比项 | IPv4 | IPv6 |
|---|---|---|
| 地址长度 | 32 位 | 128 位（空间是 IPv4 的 \(2^{96}\) 倍） |
| 首部长度 | 可变（4B 的整数倍） | 固定 40B |
| 首部字段数 | 较多（含选项、检验和等） | 仅 8 个，取消首部检验和 |
| 分片 | 源主机和中间路由器都可分片 | 只有源主机才能分片（端到端分片） |
| TTL 对应字段 | TTL | 跳数限制（Hop Limit），作用等同 |
| 协议字段对应 | 协议字段 | 下一个首部字段 |
| 地址类型 | 单播、多播、广播 | 单播、多播、任播（无广播） |
| 地址配置 | 通常需要 DHCP | 支持即插即用（自动配置） |