图解IPv6技术

　　初识IPv6
　　2019年11月25日已分配完公网IPv4地址，以后就没有多余地址可以分配了。短期内可以使用NAT技术进行缓解。长期来看，还是要用128位的IPv6地址替代32位的IPv4地址，IPv6有3。41038个可用地址，多得不得了，可以满足未来IP地址的需求。
　　IPv6地址
　　IPv6地址不但比IPv4的地址长度长，还其它方面的不同。1、IPv6地址表示
　　32位的IPv4地址，分隔成4个8位段，每8位段的值在0255之间，每个8位段之间用。分开，这就是点分十进制表示法。举个栗子：
　　192。168。0。1
　　而128位的IPv6地址，是IPv4地址的4倍，如果用点分十进制表示法，那么会有16个八位组，地址过于冗长。为了使用方便，使用十六进制表示法，分隔成8个16位段，每16位段的值在0000FFFF的十六进制数之间，每个16位段之间用：分开。举个栗子：
　　2001：1111：0100：000a：0000：00bc：2500：0a0b
　　为了方便理解，可以查看下面的进制转换表。
　　但是IPv6地址还是太长，不方便记忆，看着都头晕，也不方便书写，毫无规律可言。于是就有了两条简化规则。第一条规则是：每组十六进制数中开头的0可以省略。
　　上面的IPv6地址可以写成：2001：1111：100：a：0：bc：2500：a0b
　　这里需要注意，开头的0才能省略，末尾的0是不能省略的，因为这样会引起歧义，无法确定省略的0是在数字前还是数字后。
　　如果有个IPv6地址有一串的0，比如：
　　2001：0000：0000：0000：0000：0000：0000：0003
　　可以简写成：
　　2001：0：0：0：0：0：0：3
　　这时，还可以使用第二个规则进行简化，第二条规则是：由全0组成的连续的16位段可以用一对冒号：：表示。
　　上面的地址还可以简化成：
　　2001：：3
　　这里需要注意，一个IPv6地址内，只能使用一次：：表示。如果使用两次及以上，也会产生歧义。举个栗子：
　　2001：0a0c：0000：0000：0021：0000：0000：0077
　　正确的写法有是：
　　2001：a0c：：21：0：0：77
　　2001：a0c：0：0：21：：77
　　如果使用了两次：：，那么就是错误的：
　　2001：a0c：：21：：77
　　有两个全0字符串，就无法确定它们的长度，上面错误的地址会有几种可能：
　　2001：0a0c：0000：0021：0000：0000：0000：0077
　　2001：0a0c：0000：0000：0021：0000：0000：0077
　　2001：0a0c：0000：0000：0000：0021：0000：0077
　　IPv4的网段地址可以用子网掩码表示，还可以用斜线法表示。IPv6只能用斜线法表示网段地址，即在IPv6地址后面加上一个斜线，后面加上一个十进制的数字，来表示前面多少位是网络位。网络位是64位的IPv6地址表示如下：
　　3001：2222：333：aa：bc：：707：990064
　　对应的网段地址是：
　　3001：2222：333：aa：：64
　　全是0的IPv6地址可以写成一对冒号。当网络位是0位时，表示默认地址。
　　：：0
　　当网络位是128位时，表示未指定地址（unspecifiedaddress）。设备未分配IPv6地址时，就用未指定地址作为标识进行报文交互。
　　：：1282、IPv6地址类型
　　IPv6地址根据使用范围和功能，分为三种类型：单播（Unicast）任意播（Anycast）组播（Multicast）
　　对比IPv4，IPv6地址中没有广播地址，但是有一个包含全部节点的组播地址，跟IPv4中的广播地址功能相同。
　　其中单播地址又细分为全球单播地址、唯一本地地址和链路本地地址等。2。1全球单播地址
　　单播地址表示单台设备的地址。全球单播地址是指这个单播地址是全球唯一的。也就是说，全球单播地址是可以在公网使用、全网可路由的IPv6地址，类似于IPv4的公网IP地址。全球单播IPv6地址是由Internet地址授权委员会（IANA）分配给地区Internet注册机构（RIR），再由RIR分配给Internet服务提供商（ISP）。
　　IANA分配128位的IPv6地址时，同IPv4一样，也是分配一个网段，即网络子网位，不会分配128位的地址。IPv6单播地址的通用格式如下：
　　全球单播IPv6地址的前3位固定为001；第448位的这45位由地址分配机构分配；48位之后的16位是网络划分子网位，称为子网ID；剩余的64位IPv6地址就是主机位，但是叫做接口ID（InterfaceID）。因为一台主机可以有几个接口，用IPv6地址表示主机的一个接口更准确，而不是表示一台主机。同时，一个接口可以有多个IPv6地址，还可以有一个IPv4地址，接口ID只是这个接口的几个标识符之一。
　　通常，全球IPv6地址的接口ID是64位，子网ID是16位。一个16位的子网ID可以划分65536个不同的子网。很少有这么多子网的网络，因此全球单播IPv6地址还有另外一种格式：前缀是n位，子网ID是64n位，接口ID也是64位。两种格式也不是矛盾的。
　　将全球单播IPv6地址的前3位固定值转换为IPv6表示法，可知全球单播地址的前缀为2000：：3。
　　IANA和RIR把长度32或35的IPv6前缀分配给本地Internet注册机构（LIR）。LIR通常是大型的ISP，LIR分配前缀长度48的IPv6地址给各个客户。也有一些例外，会分配不同长度的前缀：如果一个客户非常庞大，那么可以分配一个长度小于48的前缀。如果有且仅有一个子网需要地址，那么可以分配一个长度是64的前缀。如果有且仅有一台设备需要地址，那么可以分配一个长度是128的前缀。2。2IPv6地址类型
　　IPv6地址开头的二进制标识地址类型。比如：全球单播地址的前3位是001。
　　2。3本地单播地址
　　除了全球单播地址，还有几种其它类型的本地单播地址，分别应用在不同的场景。
　　有哪些本地单播地址呢？
　　本地单播地址有4种类型，分别是唯一本地地址、链路本地地址、未指定地址、回环地址。唯一本地地址
　　虽然IPv6地址非常充足，但是IANA还是分配了一段可以在私有网络使用的私有IP地址空间。这种可以自行使用而不用申请的单播IPv6地址叫做唯一本地地址。唯一本地地址只能在私有网络使用，不能在全球路由，不同的私网可以复用这类地址。它的作用和范围跟IPv4的私有IP地址相同。
　　唯一本地地址的前7为固定是1111110，前缀为FC00：：7的IPv6地址。之前还有站点本地地址（SiteLocalAddress），前缀是FEC0：：10，已被ULA取代。
　　唯一本地地址的第8位比较特殊。第8位为0时，未定义，也就是说，FC00：：8这个IPv6地址前缀属于保留的地址空间。目前私有网络使用的IPv6地址是以11111101开头的，即前缀为FD00：：8的IPv6地址。
　　链路本地地址
　　IPv6的链路本地地址（LinkLocalAddress），是IPv4地址中没有的类型，是IPv6新定义的地址类型。
　　链路本地地址是只在链路内有效的地址。启动IPv6时，网络接口会自动配置这样的一个IPv6地址，就可以直接和同一链路上的其它设备通信。因为链路本地地址只在链路本地有效，所以这些数据包不会被发送到其它链路上。
　　链路本地地址的前10位固定是1111111010，之后的54位固定为0，最后64位是接口ID。也就是说，链路本地地址的前缀为FE80：：10。
　　如果链路本地地址的前64位都是相同的，那么接口如何使用64位的接口ID进行标识，才能确保链路本地地址在链路中不会出现IP地址冲突呢？答案是接口使用自己的物理MAC地址来填充接口ID字段。理论上接口的MAC地址是唯一的，因此通过MAC地址生成的接口ID和链路本地地址也是唯一的。
　　把MAC地址转换成接口ID，使用MACtoEUI64转换法。简单的讲，就是使用接口的48位MAC地址，在MAC地址中间，也就是OUI后面，插入一个固定的十六进制数0xFFFE，并把第7位的UL（全局本地）位设置为1，这样就转换为一个64位的接口ID。
　　未指定地址
　　未指定地址是128位全为0的前缀地址，简写成：：128，相当于IPv4中的0。0。0。032。这个地址不能分配给接口使用，只有当IPv6设备还没获取到地址时，才将未指定地址作为数据包的源IPv6地址。回环地址
　　回环地址是前127位全为0，最后一位是1的128位前缀地址，简写成：：1128，相当于IPv4中的回环地址127。0。0。18。回环地址表示节点自己，不能分配给接口使用。只要设备的协议栈状态正常，设备就可以收到发送给回环地址的数据包。2。4任意播地址
　　IPv6定义了一种任性的功能，通过任意播地址（AnycastAddress）实现。任意播地址是根据功能定义的，而不是根据报文格式，IPv6没有定义任意播的地址空间，与单播使用相同的地址空间。所以，无法根据地址判断是单播地址还是任意播地址。
　　单播是一对一，组播是一对多，广播是一对全体，那么任意播就是一对最近的通信方式。
　　一个任意播地址可以分配给多台设备，路由器会有多条路由到达相同的目的地，选择代价最小的路由进行数据转发。在大型网络中，流量可以发送到最近的设备，数据传输效率更高。而且当最近的设备故障时，路由器可以把路由指向下一台最近的路由器。
　　2。5组播地址
　　组播地址不是标识一台设备，而是一组设备：一个组播组（MulticastGroup）。发送组播数据包通常是单台设备，可以是组播组成员，也可以是其它主机，数据包的目的地址是组播地址。
　　组播组成员有可能是一台设备，也可能是这个网络上的所有设备。IPv6没有广播地址，但是有一个包含所有节点的组播组，和广播地址做相同的事情：所有节点都是这个组播组的成员。
　　组播地址的前8位全是1，后面跟着4位标记位，再后面就是4位表示地址范围。最后的112位作为组ID（GroupID），标识不同的组播组。前面的80位是0，只使用后面的32位。
　　4位标记位中，第1位是保留标记位，未使用，使用固定值0。第2位用于汇集点（RendezvousPoint），汇集点是组播的一个概念，叫做R位，通常取值为0。第3位表示组播地址是否带了前缀，叫做P位。组播地址没前缀，取值为0。大多数情况是0。最后一位是T位，值为0时表示是已定义的、永久的组播地址；值为1时是临时充当一些设备的组播组。因此，各个协议使用的组播组是以FF0开头的IPv6地址，而自定义的组播组是以FF1开头的。
　　组播地址和单播地址一样，有一个有效范围，4为范围位定义了组播地址的使用范围。不同取值的范围表如下：
　　常见的IPv6组播地址的格式是标记位的值是0，范围位的值是2，即前缀为FF02的组播地址。
　　2。6嵌入的IPv4地址
　　在IPv6地址的环境中使用IPv4地址，需要用到转换技术，把IPv4地址转换成IPv6地址。比如6to4技术就是将IPv4地址转换成16进制数，再嵌入到IPv6地址的最后32位。ICMPv6
　　IPv6也是使用ICMP来管理网络，实现错误检查和报告机制功能。IPv4协议中ICMP使用的协议号是1，而IPv6协议中ICMPv6使用的值是58。ICMPv6对于头部字段的定义也与ICMP相同。
　　ping功能也是使用Echo请求和Echo应答报文。除此之外，还有一个基于ICMP的新协议：邻居发现协议。NDP
　　IPv6的邻居发现协议（NDP）相当于IPv4的ARP、ICMP的路由器发现和ICMP的重定向，还可以发现网络中使用的IPv6地址前缀等参数，并实现地址自动配置等。IPv6协议通过NDP功能实现即插即用特性：路由器发现（RouterDiscovery）：当一个节点接入到IPv6链路时，它可以发现链路上的路由器，而不需要借助使用DHCP。前缀发现（PrefixDiscovery）：当一个节点接入到IPv6链路时，它能够发现链路的前缀。参数发现（ParameterDiscovery）：节点能够发现所在链路的参数，像链路的MTU和跳数限制等。地址自动配置（AddressAutoconfiguration）：节点能够自动配置，不需要使用DHCP。地址解析（AddressResolution）：节点不需要通过ARP就能够获取链路上其它节点的MAC地址。下一跳确定（NextHopDetermination）：能够确定到达目的节点的下一跳链路层节点，或者所在链路的目的节点，或是到达目的节点的路由器。邻居不可达检测（NeighborUnreachabilityDetection）：节点上能够检测到链路上的邻居何时不可达，邻居有可能是主机，也可能是路由器。地址冲突检测（DuplicateAddressDetection）：节点能够检测到要使用的地址是否已经被其它节点占用。重定向（Redirect）：对于非连接的目的节点，路由器能够通知主机存在更好的下一跳路由。
　　NDP报文是在数据链路内接收和发送，因此封装NDP的数据包是使用IPv6链路本地地址，或者是链路范围内的组播地址。在安全性上也有加强，NDP报文的跳数限制是255。如果收到的数据包的跳数限制值小于255，那么这个数据包至少经过了一台路由器，因此丢弃这个数据包。这样可以阻止NDP不会受到非本地链路的攻击或欺骗。1、NDP报文
　　NDP定义了5种报文类型，且跳数限制字段值都是255。如果收到的NDP报文中跳数限制字段值不是255，那么会丢弃这个NDP报文。在ICMPv6封装这5种NDP报文时，编码字段都是0，不同报文类型通过类型值来标识：路由器请求（RouterSolicitation，RS）：路由器请求报文是由主机发出的，用来请求链路中的路由器发送一个RA。类型字段值是133。路由器通告（RouterAdvertisement，RA）：路由器通告报文是路由器发出的，用来通告路由器的存在和链路参数，比如：链路前缀、链路MTU，以及跳数限制等。这些报文周期性的发送，也用于响应路由器请求报文。类型字段值是134。邻居请求（NeighborSolicitation，NS）：也是有主机发起，用来请求另一台主机的MAC地址，也用于地址冲突检测、邻居不可达检测。类型字段值是135。邻居通告（NeighborAdvertisement，NA）：用于响应邻居请求报文。如果一个节点改变了MAC地址，那么它通过发送一个未请求的邻居通告报文来告知这个新地址。类型字段值是136。重定向（Redirect）：跟IPv4协议中的ICMP用法相同，只不过是移植到NDP中。类型字段值是137。2、路由器发现
　　路由器在所在的链路上周期性发送RA，告知它的存在和配置的所有参数。未收到请求的RA的源地址是路由器接口的链路本地IPv6地址，目的地址是所有节点的组播地址（FF02：：1）。
　　刚接入到链路的主机，需要等待一个RA，用来发现链路上的路由器和链路参数。默认等待200秒的时间太长。所以，主机激活时，就会发送一个RS，这个报文的源地址可以是未指定地址（：：），也可以是主机的链路本地IPv6地址。目的地址就是所有路由器的组播地址（FF02：：2），请求链路本地路由器为主机提供一些信息。
　　只有路由器才会监听链路本地路由器组播地址，当路由器收到RS时，就会发送一条RA作为响应。如果收到报文的源地址是链路本地地址，那么使用链路本地地址单播发送。如果源地址是未指定地址（：：），那么会以组播方式发送给所有节点（FF02：：1）。
　　当主机收到RS时，会把路由器的链路本地地址作为默认路由地址，添加到自己的路由表中。如果路由器列表有多条默认路由器条目，那么主机要给出选定默认路由器的方法。要么是整个默认路由器列表依次轮询，要么选择单台路由器作为默认路由。3、地址自动配置
　　当一台IPv6的设备第一次接入链路时，它能够自动配置自己的接口地址。这个过程的第一步就是确定64位接口ID部分，使用MACtoEUI64转换法获取接口ID。
　　当然，接口ID只是IPv6地址的一半，还需要一个64位的前缀。前面提到过，链路本地前缀是0xFF80：：10。用它作为64位前缀（0xFF80：：64），再加上转换后的接口ID，就是一个完整的IPv6地址，可以和同一链路上设备进行通信。
　　如果一台主机只需要和所在链路上的设备通信，那么它自动配置的链路本地地址就已经满足了。但是如果主机需要和链路之外的设备通信，那么它就需要一个更大范围的地址，通常是一个全球IPv6地址。有两种途径获取这类地址：有状态或无状态的地址自动配置。
　　使用DHCPv6服务器来分配IPv6地址，称为有状态地址自动配置。主机要么根据预先的配置查找DHCPv6服务器，要么收到字段M置位的路由器通告报文来获取DHCPv6服务器。
　　更有趣的是无状态地址自动配置（StatelessAddressAutoconfiguration，SLAAC），不依赖服务器、不需要手动配置。这个过程非常简单，当一台IPv6设备接入网络时，会发送RS来查询网络中是否存在路由器。RA有一个字段可以告诉IPv6设备使用哪种方式配置自己的IPv6地址，这个字段称为M位。如果M位置位，值为1时，表示设备通过DHCPv6协议动态配置IPv6地址；如果M位不置位，值为0时，则表示设备通过SLAAC来配置IPv6地址。
　　IPv6设备从收到的RA中获取一个或多个链路前缀，再加上之前确定的接口ID，就得到了一个全球唯一的IPv6地址。
　　IPv6设备执行SLAAC的过程，不需要人工干预，也没有DHCP服务器参与，设备自行完成配置。也就是说，这种机制为IPv6网络提供了即插即用功能。4、邻居地址解析
　　IPv4通过ARP获取MAC地址，然而ARP协议无法照搬到IPv6环境中，IPv6没有定义广播地址。为了解决查询目的设备的MAC地址问题，IPv6通过NDP获取MAC地址。IPv6设备使用NS和NA来实现MAC地址的查询和响应。IPv6使用目的节点组播地址作为NS的目的地址。
　　目的节点的组播地址的前104位固定是FF02：：1：FF，后24位使用目的单播IPv6地址接口ID的后24位。当接口获取一个单播或任意播IPv6地址时，就会同时监听发送给这个单播地址对于的目的节点组播地址。
　　如果目的节点是链路之外的节点，那么可以通过路由器通告报文，获取默认路由器的MAC地址。如果目的节点在链路内，那么节点会先查找邻居缓存看一下是否已经学到这个地址。IPv6的邻居缓存和IPv4的ARP缓存相似，记录IP地址和MAC地址的对应关系。
　　如果地址不在邻居缓存中，节点会发送一个NS。目的节点收到报文后，就知道源节点的MAC地址，并回复邻居通告报文。
　　如果目的节点存在并且收到了NS，那么它会回复一个NA。这个NA的目的地址就是源节点的源地址。收到响应的NA后，源节点就把目的节点的MAC地址添加到邻居缓存的条目中。
　　NDP的NA还有另一种用法，当IPv6节点的MAC地址发生变化时，也可以在未收到NS的情况下，直接向本地链路发生一条NA，向本地链路上其它设备通告新的IPv6地址和MAC地址的对应关系。因为目的是通告给链路中所有设备，而不是某一台设备，所有NA的目的地址就是链路本地所有节点组播地址（FF02：：1）。5、地址冲突检测
　　虽然通过MAC地址转换成接口ID，大多数情况下可以保证是设备地址是唯一的，但是也可能存在重复MAC地址的情况，因此不管设备是如何获取地址的，都需要在使用之前进行地址冲突检测。
　　获取一个地址的节点会把新地址作为临时状态的地址。在地址冲突检测完成前，地址不能被使用。节点会发送目的地址是新地址的NS来验证。NS的源地址是未指定地址，目的地址是目的节点的组播地址。
　　如果节点收到一个NS，并且目的地址是这个节点已经使用的地址，就会发送一个目的地址为已使用地址的NA。源节点收到NA后，就会知道这个地址是冲突的，并且不能使用。6、私有地址
　　无状态地址自动配置会有一个安全隐患：即使一台设备从一个子网转移到另一个子网，它的接口ID始终保持不变。那么就可以通过接口ID来识别用户，推断出用户的所在位置，追踪用户的活动和位置记录，暴露个人隐私信息。
　　这个问题可以通过IPv6私有地址来解决。私有地址是随机生成的接口ID。接口ID通常一天变化一次，也会在获取一个新的IPv6地址时改变。
　　但是服务器的地址不需要经常变化。跟服务器通信的节点，以及DNS服务器必须通过静态地址了解服务器的位置。因此，标准的无状态配置的IPv6地址保留公共地址，任何一个向服务器发送数据时，使用这个地址作为目的地址。但是服务器发送数据时，使用的却是私有地址。这就像公司的分机短号一样，你能看见是谁在打你电话，但是别人看不到你的号码。