自顶向下网络设计（第二版）

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块俞
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1 早在 20 世纪 90 年代初期, 人们就意识到 IPv4 地址可能消耗殆尽的问题, 当时各方面的专家预测显示, 如果 IPv4 地址的分配按照目前的增长率继续下去, 那么在未来短短几年间就将耗尽所有的地址空间于是, 人们就提出了一个新的 IP 地址版本来解决这个问题, 以前在开发阶段这个新的 IP 地址版本被称为 IP 下一代版本 ( 或者称为 IPng), 而现在一般称为 IP 协议第六版 ( 或称为 IPv6) 但是众所周知, 发展一种新的标准需要时间逐步部署, 因此, 在发展新标准的过程中还需要一种解决 IPv4 地址耗尽问题的短期方案这种短期的解决方案就是网络地址转换 (Network Address Translation NAT), 它允许多台主机共享一个或较少的公用 IP 地址在 NAT 设备上, 相对外部公共网络的内部网络使用私有 IP 地址, 私有 IP 地址的使用规则在 RFC1918( 请求注释 ) 中有详细的描述读者后面会注意到, 在本书的大多数例子中都会使用这种私有 IP 地址 NAT 技术在减缓 IPv4 地址耗尽问题方面显然非常成功, 并在大多数网络设计中已经成为一个标准部分因而, 至今仍然有很多人对发展 IP 协议新版本的必要性提出质疑但是,NAT 技术的广泛使用把原来具有开放透明对等特点的 Internet 变成了看上去更像一个具有客户 - 服务器 (Client-Server) 结构的网络的巨大集合而用户则只在外围连接到 Internet 的边缘层,Internet 向他们提供服务用户很少对 Internet 的整体资源作出贡献更多的从某种经济的角度看,Internet 的用户仅仅成为了消费者, 而不是生产者虽然大多数 IPv6 协议标准在多年前就已经完成了, 但对从 IPv4 到 IPv6 协议迁移的巨大兴趣也只是最近才显现出来这种日益重视使用 IPv6 协议的背后来自于两个基本的推动力第一个基本的推动力是对使用诸如移动 IP 协议 (Mobile IP) 服务质量保证端到端的安全网格计算 (grid computing), 以及点到点网络互连等核心概念的新型应用的先见之明 NAT 技术遏制了这些领域的创新, 因而摒弃 NAT 技术的惟一手段就是提供充足的并且易于使用的公共 IP 地址促进 IPv6 协议发展的第二个基本推动力就是拥有众多人口的国家快速的现代化发展, 例如中国和印度一个引人注目的统计数字显示, 目前剩余的未分配的 IPv4 地址数目几乎和中国的人口一样多 : 大约还有 13 亿个地址随着中国国家 Internet 网络基础设施的急剧扩展, 在不久的将来, 仅中国就会对现有已经十分紧张的 IPv4 地址池带来难以忍受的压力在印度, 其人口也接近于中国的人口, 不得不继续保留一个具有 4~5 层 NAT 技术的网络层次架构, 以支持对 IP 地址的需求 IPv6 协议使用 128 位的地址替代 32 位的 IPv4 地址, 这样大约可以产生 340 万亿亿亿亿 ( ) 个可用的地址在可预见的未来, 这个地址数目将可以满足公共 IP 地址的需求, 也可以解决上面讨论的两个基本推动力需要的地址需求 1 1 考虑到在 IPv4 地址分配时所没有预见到的情况当时 IPv4 所拥有的 43 亿个地址被认为可以无限的提供给所有的实际需求,

2 2.1 IPv6 地址 IPv6 地址与 IPv4 地址的不同之处不仅仅在于它们的地址长度不同, 而在更多的方面都有所不同快捷地表示它们的速记方式也是不同的, 它们的表示格式差别非常大, 而且它们的功能组织也是不同的本节我们将为读者介绍这些不同之处再也不会有人认为 IPv6 协议所提供的几乎不可思议的巨大地址空间是不可耗尽的了

3 2.1.1 地址表示法读者一定已经了解 32 位的 IPv4 地址的表示方式了,IPv4 地址被分割为 4 个 8 位段, 其中每个 8 位段的数字大小在 0~255 之间, 并且每个 8 位段之间使用英文符号句点. 来分开, 因此有时也使用术语点分十进制表示法来专指 IPv4 地址的这种表示法而 128 位的 IPv6 地址则被分割成 8 个 16 位段来表示, 其中每个 16 位段书写为大小在 0x0000~0xFFFF 之间的十六进制的数字表示, 并且每个 16 位段之间使用英文符号冒号 : 来分开例如, 下面就是一个 IPv6 地址的书写方式 : 3ffe:1944:0100:000a:0000:00bc:2500:0d0b 要想记住更多一些像这样表示的地址实际上是几乎不可能的, 当然书写这些地址也不是一件令人愉快的事情幸运地是, 有两条规则可以用来简化 IPv6 地址书写的大小第一条规则是 : 任何一个 16 位段中起始的 0 不必写出来 ; 任何一个 16 位段如果少于 4 个十六进制的数字, 就认为忽略书写的数字是起始的 0 在前面提到的地址例子中, 第和 8 个分段都包含有起始的 0 利用这个地址压缩简化规则, 该地址可以书写为 : 3ffe:1944:100:a:0:bc:2500:d0b 这里要注意的是, 只有起始的 0 才可以被忽略掉 ; 末尾的 0 是不能忽略的, 因为这样做会使 16 位分段变得不确定, 你无法确切地判断所省略的 0 是在所写的数字之前还是在其之后另外, 还有一个值得注意的地方是, 上述的地址例子中的第 5 个分段全部是 0, 并且被书写为单个 0 事实上, 有许多 IPv6 地址中具有一长串的 0 举例如下 : ff02:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0005 这个地址可以简写为以下形式 : ff02:0:0:0:0:0:0:5 然而, 利用第二个规则可以进一步地简化这个地址的书写格式 : 任何由全 0 组成的 1 个或多个 16 位段的单个连续的字符串都可以用一个双冒号 :: 来表示利用这条规则, 上面例子中的地址可以表示成如下格式 : ff02::5 使用这样的方式书写上面这样的地址显然可以增加很多便利但是在这里要注意的是,

4 这条规则强调的是仅仅对于单个连续不间断的全 0 字符串分段部分能够用一个双冒号 :: 来表示, 在一个 IPv6 地址中使用多于一个以上的双冒号会引起含混不清下面举一个这样的地址例子作为说明 : 2001:0d02:0000:0000:0014:0000:0000:0095 对于上面这个地址, 以下两种地址的缩写方式都被认为是正确的, 因为它们都只使用了一次双冒号 : 2001:d02::14:0:0: :d02:0:0:14::95 但是, 请读者注意, 下面这个缩写方式是不正确的, 因为它使用了两次双冒号 : 2001:d02::14::95 之所以认为上面这个缩写方式是错误的, 是因为它中间的两个全 0 字符串的长度是含混不清的, 从而无法确定它们的长度 ; 它可以表示成下面的任何一种可能的 IPv6 地址 : 2001:0d02:0000:0000:0014:0000:0000: :0d02:0000:0000:0000:0014:0000: :0d02:0000:0014:0000:0000:0000:0095 不像 IPv4 协议的前缀 ( 即地址的网络部分 ) 可以通过点分十进制或十六进制地址掩码标识, 或可以通过位计数 (bitcount) 来标识,IPv6 协议的前缀始终通过位计数的方式来标识更确切地说, 通过在 IPv6 地址后面加一个斜线 /, 随后再跟一个十进制的数字来标识一个 IPv6 地址的起始位有多少位是前缀位举一个例子, 下面这个地址的前缀就是起始的 64 位 : 3ffe:1944:100:a::bc:2500:d0b/64 当读者需要书写一个 IPv6 地址的前缀时, 也可以使用和 IPv4 地址一样的书写方式将所有的主机位设置为 0 例如 : 3ffe:1944:100:a::/64 一个由全 0 组成的 IPv6 地址能够被简单地写成一个双冒号在本书中, 存在两种实例使用了全 0 的地址第一个实例就是缺省地址, 这将在第 12 章中讨论, 在那里缺省地址表示为全 0 的形式, 并且它的前缀长度也是 0: ::/0 第二个使用全 0 的 IPv6 地址的实例是未指定地址 (unspecified address) 未指定地址使用在某些邻居发现协议过程中, 邻居发现协议将在本章后面的章节中讲述一个未指定地址就像一个填充器, 用来标识一个还未确定的实际 IPv6 地址在书写一个未指定地址的时候要注意, 它与缺省地址的书写方式是有区别的, 它们的前缀长度不同 :

5 ::/ IPv6 的地址类型 IPv6 地址存在以下三种类型 : 单播 (Unicast); 任意播 (Anycast); 多播 (Multicast) 和 IPv4 相比,IPv6 地址有一个重要的不同,IPv6 地址协议中没有广播地址但是,IPv6 地址协议提供了一个包含全部节点的多播地址, 用来实现与 IPv4 地址协议中广播地址同样的目的 1. 全球单播地址单播地址用来表示单台设备的地址一个全球单播地址是指这个单播地址是全球惟一的 IPv6 单播地址的通用格式如图 2-1 所示该格式在 RFC3587 中有详细地描述, 并取代和简化了早期的格式版本, 早期的格式将 IPv6 单播地址分成了顶级聚合 (Top Level Aggregator, TLA) 次级聚合(Next-Level Aggregator,NLA) 和其他字段但是, 读者应该了解的是, 这个被取代的格式其实相对来说是最近才被替代的, 因而, 读者在一些书籍和资料中可能仍然会碰到对这个旧的 IPv6 地址格式的描述图 2-1 IPv6 通用的单播地址格式地址的主机部分被称作接口 ID(Interface ID) 之所以取这个名字是因为一台主机可以拥有不止一个的 IPv6 接口, 因而使用这样的地址标识主机的一个接口比标识一台主机本身更加准确但是, 它的精确性也就仅仅到此为止 : 单个接口也能够拥有多个 IPv6 地址, 并且能够拥有一个附加的 IPv4 的地址, 在这样的实例中, 接口 ID 仅仅表示该接口的几个标识符的其中一个除了长度不同外,IPv6 地址与 IPv4 地址协议之间最显著的不同就是子网标识符的位置不同 IPv6 地址的子网标识符的位置是地址的网络域的一部分, 而不是该地址的主机域的一部分在 IPv4 地址分类体系结构的传统概念中, 一个地址的子网部分来自于该地址的主机部

6 分, 减少了地址的主机位结果是,IPv4 地址的主机部分不仅仅使它的分类产生变化, 而且导致用于子网标识的位数产生变化使用地址的网络部分作为 IPv6 子网 ID 的一个直接的好处就是, 所有 IPv6 地址的接口 ID 都有大小一致的位数, 这就大大地简化了地址的解析复杂度而且, 使用地址的网络部分作为子网 ID, 会产生一个更加清楚的分工, 功能更加清晰 : 网络部分提供了一台设备到下行专用数据链路的定位, 而主机部分提供这条数据链路上该设备的标识除了极少数的例外, 全球 IPv6 地址的接口 ID 都是 64 位二进制位的长度同样, 除了极少数的例外, 子网 ID 字段都是 16 位二进制位 ( 如图 2-2 所示 ) 一个 16 位的子网 ID 字段可以提供个不同的子网使用固定长度大小的子网 ID 看起来好像有些浪费, 因为在大多数实例中远没有使用到这么大容量的子网数但是, 考虑到使用 IPv6 地址空间的总长度和容易分配设计管理以及解析地址的好处, 使用固定长度大小的子网 ID 所带来的浪费也是可接受的图 2-2 全球单播 IPv6 地址的标准字段大小 Internet 地址授权委员会 (Internet Assigned Numbers Authority,IANA) 和地区 Internet 注册机构 (Regional Internet Registries,RIR) 1 通常把长度为 /32 或 /35 的 IPv6 前缀分配给本地 Internet 注册机构 (Local Internet Registries,LIR) 然后, 本地 Internet 注册机构 LIR 通常是大型的 Internet 服务提供商 (ISP), 他们再把更长的前缀分配给他们各自的客户在大多数的实例中, 本地 Internet 注册机构 LIR 分配的前缀长度都是 /48 正如前面所提及的, 有一些例外的情况,LIR 也可能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 的前缀如果有一个并且仅有一个子网需要编址, 那么可以分配一个长度为 /64 的前缀如果有一台并且仅有一台设备需要编址, 那么可以分配一个长度为 /128 的前缀 1 在写本书时, 共有 5 个 RIR 机构 :RIPE(Réseaux IP Européens) 服务于欧洲中东地区和中亚地区 ;LACNIC( 拉丁美洲和加勒比海 Internet 地址注册机构,Latin American and Caribbean Internet Address Registry ) 服务于中美南美以及加勒比海地区 ;ARIN( 美国 Internet 编号注册机构,American Registry for Internet Numbers) 服务于北美地区和部分加勒比海地区 ;AfriNIC 服务于非洲地区 ; 而 APNIC( 亚太地区网络信息中心,Asia Pacific Network Information Centre) 则服务于亚洲和太平洋地区的国家

7 2. 标识 IPv6 的地址类型 IPv6 地址起始的一些二进制位指明了该地址的类型例如, 目前所有的全球单播地址的前 3 位是 001 因此, 识别全球单播地址的十六进制表示是相当容易的 : 所有的全球单播地址都是以 2 或 3 开头的, 这根据全球路由选择前缀的第 4 位的值而定举一个例子说明, 当前指定分配给 6Bone( 公共 IPv6 研究网络,the public IPv6 research network) 使用的前缀开始于 3ffe, 而目前由 RIR 分配的 IPv6 地址则开始于 2001 二进制的数字 001 预期可以充分满足在未来一段时间内全球单播地址的需要而其他的一些二进制位的组合则分配用来定义其他的地址类型, 其中大多数前导位的组合都是保留的表 2-1 列出了目前已经分配的前导位的组合, 在后面的章节中将会陆续介绍一些其他主要的 IPv6 地址类型表 2-1 IPv6 地址类型的高位数字组合地址类型高位数字 ( 二进制 ) 高位数字 ( 十六进制 ) 未指定 00 0 ::/128 环回地址 00 1 ::1/128 多播地址 FF00::/8 链路本地单播地址 FE80::/10 地区本地单播地址 ( 目前存在争议 ) FEC0::/10 全球单播地址 ( 当前分配的 ) 001 2xxx::/4 或者 3xxx::/4 保留的类型 ( 未来全球单播地址的分配 ) 其他所有的 Comment [GJL1]: 原文 :FF80::/10 Comment [GJL2]: 原文 :FFC0::/10 3. 本地单播地址当我们谈论全球单播地址的时候, 我们就认为这个地址是全球范围使用的也就是说, 这样的地址是全球惟一的, 并且能够在全球范围内被路由而无需进行更改 IPv6 也拥有链路本地单播地址 (link-local unicast address), 这种地址是使用范围限定在单条链路上的地址它的惟一性是仅仅限于所在的链路, 并且相同的地址也可能存在于另一条链路上, 因此这样的地址离开所在的链路是不可路由的正如读者在表 2-1 中所看到的, 链路本地单播地址的起始 10 位永远是 (FE80::/10) 读者在本章后面的章节中将会看到, 链路本地单播地址在像邻居发现协议等功能中是很有用的, 邻居发现协议只能在单条链路上进行通信, 这在后面的章节中会讲述链路本地单播地址也允许链路上的设备直接创建 IPv6 地址和该链路上的其他设备进行通信, 而不必给它

8 们分配全球前缀, 或者说它们无需知道所在链路的全球前缀在小节中将会讲述在这种情形下如何使用链路本地前缀除了链路本地单播地址外,IPv6 协议最初还定义了一个地区本地单播地址地区本地单播地址 (site-local unicast address) 是指仅仅在一个给定的地区区域内该地址是惟一的在其他地区区域内的设备可以使用相同的地址因此, 一个地区本地单播地址只能在分配该地址的那个地区区域内是可路由的在 IPv6 协议中的地区本地地址在功能上和 RFC1918 中定义的私有 IPv4 地址有些类似地区本地地址的支持者举出这样几个应用一个非常突出的应用就是, 对于那些即使在使用 IPv6 地址时也希望使用 NAT 技术的网络人员来说, 是为了维持他们自己的地址架构独立于他们的服务提供商另外, 地区本地地址也是几个被提议的 IPv6 多归路机制的关键但是,IETF(Internet 工程任务组 ) 的 IPv6 工作组发现地区本地单播地址也带来了一些困难一种明显的困难就是这样一个事实 : 地区区域的定义是含糊的, 因为对于不同的网络管理者来说地区的含义是不同的另一个问题是, 当这样的地址被错误地泄漏到网络管理者设定的地区范围边界之外时, 也像 RFC1918 定义的 IPv4 地址一样会涉及到一些管理上的困难其他一些潜在的问题包括给应用程序和路由器增加了复杂性, 因为它们必须识别和复制这些地区本地地址基于以上这些考虑, 并经过一些激烈的争论后, 结果是,IPv6 工作组在 RFC3879 中不赞成使用地区本地地址为了给那些认为地区本地地址有很多优点的人一些信心, 又引入了另外一个计划, 它具有类似于比链路本地地址的范围大一些, 而比全球地址的范围小一些的特点, 但是到撰写本书时为止还未见到这样一种替代的计划如表 2-1 所示, 地区本地单播地址的起始 10 位是 (FEC0::/10) 4. 任意播地址一个任意播地址 (Anycast address, 也可称为任播地址或泛播地址 ) 表示的更像一种服务, 而不是一台设备, 并且相同的地址可以驻留在提供相同服务的一台或多台设备中如图 2-3 所示, 某些服务是由 3 台服务器提供的, 但却是通过 IPv6 地址 3ffe:205:1100::15 来进行该服务的所有通告的接收到包含该地址通告的路由器不会知道是由 3 台不同的设备通告给它的相反, 路由器会假定有 3 条路由到达相同的目的地, 并会选择一条代价最低的路由如图 2-3 所示, 这条路由是到达服务器 C 的, 它的代价是 20

9 图 2-3 一个任意播地址表示的是一种服务, 它可能是多台设备使用任意播地址的好处就是, 路由器总是选择到达最近的或代价最低的服务器的路由 1 因此, 提供一些通用服务的服务器能够通过一个大型的网络进行传播, 并且流量可以由本地传送到最近的服务器, 这样就可以使网络中的流量模型变得更有效而且, 如果其中一台服务器变得不可用时, 路由器能够把路由指向下一台最近的服务器举例来说, 如图 2-3 所示, 如果服务器 C 因为网络或服务器本身出现故障而变得不可用了, 那么路由器就会选择到达服务器 A 的路径, 因为到达服务器 A 是倒数第二个代价最低的路由从路由器的角度来看, 它选择的是到达同一个目的地最优的路由任意播地址仅是根据它们提供的服务功能而定义的, 而不是根据它们的格式, 而且理论上来说可能是任何范围内的任何一个 IPv6 单播地址但是, 在 RFC 2526 中定义了一个保留的任意播地址的格式任意播地址在 IPv4 协议的网络中已经使用了一段时间, 但是在 IPv6 协议中它们的定义才被正式化 5. 多播地址多播地址标识的不是一台设备, 而是一组设备一个多播组 (multicast group, 或称为多播群 ) 发送给一个多播组的数据包可以由单台设备发起因此, 一个多播数据包通常包括一个单播地址作为它的源地址, 一个多播地址作为它的目的地址在一个数据包中, 多播地址从来不会作为源地址出现 1 路由器在到达同一个目的地的多条路由中选择路由的方法将在第 4 章中讲述

10 一个多播组的成员可能只有一台单个的设备, 也可能甚至是该网络上所有的设备事实上,IPv6 协议并不像 IPv4 协议那样有一个保留的广播地址, 而是有一个保留的包含所有节点的多播组, 实际上做相同的事情 : 所有接收它的设备都是属于该多播组多点传送实际上是 IPv6 协议的一个基本的操作, 特别是对于即插即用特性的一些功能, 例如路由器发现和地址自动配置等, 这些功能是邻居发现协议的一部分, 邻居发现协议将在本章后面讲述 IPv6 多播地址的格式如图 2-4 所示多播地址起始的 8 位总是全 1, 并且后跟的 4 位被指定作为标记位这些标记位的前 3 位目前没有使用, 全部设置为 0 第 4 位用来指出这个地址是一个永久的公认的地址 ( 设为 0), 还是一个管理分配使用的暂时性的地址 ( 设为 1) 接下来的 4 位数字表示该地址的范围, 如表 2-2 所示表 2-3 中显示了几个保留的公认的 IPv6 多播地址, 所有这些地址都属于链路本地的范围由于多播组总是一组独立的节点, 因而在多播地址中的子网字段是不需要的, 或者说是没有意义的而最后的 112 位用来作为组 ID(Group ID), 标识各个不同的多播组目前的用法是设置前面的 80 位为 0, 而只使用后面的 32 位图 2-4 IPv6 多播地址的格式表 2-2 范围字段的值 0x0 0x1 0x2 0x5 0x8 0xE 0xF 表 2-3 地址 FF02::1 FF02::2 FF02::5 多播地址的范围范围保留节点本地 (Node-Local) 链路本地地区本地组织本地 (Organizaion Local) 全球的保留公认的 IPv6 多播地址举例多播组所有的节点所有的路由器 OSPFv3 路由器

11 FF02::6 FF02::9 FF02::A FF02::B FF02::C FF02::D OSPFv3 指定路由器 RIPng 路由器 EIGRP 路由器移动代理 (Mobile Agents) DHCP 服务器 / 中继代理所有的 PIM 路由器 6. 嵌入的 IPv4 地址有几种转换技术将 IPv4 地址的网络转换成 IPv6 地址的技术, 或者另外一种让两者共存的技术要求 IPv4 地址在 IPv6 地址环境中进行通信这些不同的技术详细说明了 IPv4 地址如何嵌入到 IPv6 地址中的细节, 以及如何实现在 128 位的 IPv6 地址中寻找 32 位的 IPv4 地址的技术但是, 读者也会发现, 多数技术使用惟一的格式来表示它们的地址, 以便允许读者识别嵌入的 IPv4 地址例如, 一个嵌入了 IPv4 地址的 IPv6 地址是 : FE80::5EFE: ( 一个 ISATAP 地址 ) ::FFFF: 和 ::FFFF:0: (SIIT 地址 ) FEC0:0:0:1:: (TRT 地址 ) 在上述的每个例子中,IPv4 地址都是位于 IPv6 地址的最后 32 位, 并使用点分十进制表示法表示其他使用嵌入 IPv4 地址的转换技术都不是使用点分十进制表示, 而是把 IPv4 地址转换成十六进制编码表示例如,6to4 技术就是使用十六进制表示地址在十六进制中的表示是 0A17:0105, 所以嵌入了地址的一个 6to4 前缀表示为 : 2002:0A17:0105::/48 本卷书的内容并不涵盖这些转换技术, 所以读者在本书中不太可能会看到这些地址表示方式在这里之所以提到它们, 仅仅是因为读者如果从事 IPv6 协议方面的工作时很可能会遇到像这样的地址 2.2 IPv6 包头格式 IPv6 包头 (Paeket Header) 的格式如图 2-5 所示这和 IPv4 的数据包头部有些明显的相像, 也有些或明显的或细微的不同之处,IPv4 的数据包头部请参见前面章节中的图 1-2 所示版本 (Version) 和 IPv4 的报头 (Header) 一样, 是一个 4 位的字段, 用来指

12 出 IP 协议的版本当然, 在这里它被设置为 0110, 表明是版本 6 流量类别 (Traffic Class) 是一个 8 位的字段, 这相当于 IPv4 协议中的 ToS 字段但是, 考虑到 ToS 字段这些年的发展, 现在都用来做区分服务等级 (Differentiated Class of Service,DiffServ) 了所以, 即使这个字段和旧的 ToS 字段有些相似, 它们的名字要比所传送的值更能确切地反映目前的用处图 2-5 IPv6 的报头流标签 (Flow Label) 是 IPv6 协议独有的字段, 长度为 20 位这个字段的设置目的是允许为特定的业务流打上标签 ; 也就是说, 数据包不仅仅始发于相同的源和到达相同的目的地, 而且在源和目的地都属于相同的应用区分不同的流可以带来几方面的优点, 从可以提供更精细的服务类别区分的颗粒, 到在平衡业务流量通过多条路径时可以确保属于同一个流的数据包能够总是转发到相同的路径上去, 以便避免对数据包进行重新排序流 ( 或更精确地称为微分流,microflows) 可以用源地址目的地址加上源和目的端口的组合来确定但是, 为了识别源和目的端口, 路由器必须能够看到 IP 报头的上层 TCP 或 UDP ( 或其他传输层协议 ) 报头这就增加了转发处理的复杂性, 并可能会影响路由器的性能由于 IPv6 的扩展报头, 在 IPv6 的数据包里搜索传输层报头尤其会产生问题, 扩展报头将在下一小节中讲到一台 IPv6 的路由器必须分步通过可能存在的多个扩展报头来搜索传输层报头在发起一个数据包时, 加上合适的流标签字段, 路由器就能够识别一个流, 而不必进一

13 步地查找数据包头部但是, 在撰写本书时, 有关如何使用流标签字段的完整说明仍然还在争论, 因此目前路由器忽略这个字段尽管如此, 它还是作出了这样一个许诺允许 IPv6 可以为像 IP 语音 (VoIP) 这样的应用提供比 IPv4 更好的服务质量保证 (QoS) 有效载荷长度 (Payload Length) 用来指定数据包所封装的有效载荷的长度, 以字节计数请读者回忆一下第 1 章, 因为 IPv4 的报头包含可选字段和填充字段, 因而它的报头长度是可变的因此, 为了得到 IPv4 数据包的有效载荷长度, 必须用总长度字段的值减去报头长度字段的值而另一方面,IPv6 数据包头部长度总是固定的 40 字节, 而且单从有效载荷长度字段就足以能得到有效载荷的起始和结尾了在这里也请读者注意, 尽管 IPv4 的总长度字段是 16 位的, 但是 IPv6 的有效载荷长度字段却是 20 位这意味着该字段能够指定更长的有效载荷 ( 字节, 相对 IPv4 中只有字节 ) 因此,IPv6 数据包本身在理论上来说具有传送更大的有效载荷的能力下一报头 (Next Header) 指出了跟随该 IPv6 数据包头部后面的报头在这里, 这个字段和 IPv4 协议报头中的协议字段非常类似事实上, 当下一报头字段是一个上层协议报头时, 其将用于同样的目的与 IPv4 中的字段一样, 这个字段也是 8 位的但是, 在 IPv6 协议中, 跟随在该数据包头部后面的报头可能不是一个上层协议报头, 而是一个扩展的头部 ( 在下一节中讲述 ) 因此, 从下一头部字段的命名上就可以反映出它具有更广泛的功能范围跳数限制 (Hop Limit) 这个字段和 IPv4 协议中生存时间 (TTL) 字段在长度 ( 都是 8 位 ) 和功能上都是非常一致的正如第 1 章中所讲到的,TTL 字段的最初设想是, 在数据包转发过程期间, 当在路由器上排队等待时就用该字段的值减去相应的以等待的秒数为单位的计数值, 但这一功能从来没有实现过相反, 路由器直接对 TTL 值进行减 1, 而不管该数据包在这台路由器上排队等待了多长时间 ( 况且, 在现代网络中, 数据包在任何一个地方排队等待接近 1s 的时间都是非常不正常的 ) 因此,TTL 事实上总是被用来作为衡量一个数据包到达目的地的路径中所能跨越的最大路由器跳数的工具如果 TTL 值减少为 0, 那么该数据包就被路由器丢弃跳数限制的功能也完全相同, 但它的命名更加贴近了它的功能特点源地址和目的地址 (Source and Destination Address) 这和 IPv4 协议中的源地址和目的字段是一样的, 当然, 在 IPv6 协议中, 这些字段是 128 位的长度而已在 IPv6 报头中, 很明显缺少的一个字段是 IPv4 报头中包含的校验和字段在现代传输介质的可靠性全面提高的今天当然无线传输或许是例外由于上层协议通常携带它们自己的错误校验和恢复机制,IPv6 报头本身的校验和就体现不出太多的价值了, 因而就被去掉了

14 2.3 IPv6 扩展报头对比图 2-5 中的 IPv6 报头和图 1-2 中的 IPv4 报头, 读者可以看出, 虽然源地址和目的地址字段的长度都是报头的 4 倍, 但是 IPv6 报头本身的长度并不比 IPv4 报头长 :IPv6 报头长度为 40 字节, 而 IPv4 报头最小长度为 20 字节如果 IPv4 的可选项字段也用来进行扩展应用 ( 虽然这不常见 ), 那么 IPv4 报头的长度实际上比 IPv6 报头大读者会注意到, 除了可选项字段, 其他的字段并不是很常用到, 例如那些与分段有关的字段, 从而在 IPv6 报头里就去掉了那些字段因此, 给定了固定长度并且排除了所有不携带每个数据包转发时所必要信息的字段,IPv6 报头变得更加简洁和有效但是, 如果我们需要使用这些 IP 特性的某个可选项, 例如分段源路由选择或认证, 我们又该怎么做呢? 于是就在 IPv6 协议中, 提供了一项可选的功能扩展报头 (extension header), 在需要提供这些功能时可以添加在报头之后例如, 如果需要使用源路由选择分段和认证等可选功能, 那么就可以把它们各自需要增加的功能信息加载到 3 个扩展报头当中, 就像图 2-6 所显示的那样因为这些报头,IPv6 数据包可以在以下两个方面提高效率 : 数据包仅仅需要传送各自数据包所需要的信息, 不需要传送用不到的字段可以通过定义新的扩展报头添加到 IPv6 数据包中来增加新的可选功能每一个扩展报头都像 IPv6 报头一样, 有一个下一报头字段因此, 每一个报头都会告知是哪一个报头跟在它的后面表 2-4 中显示了当前定义的扩展报头和它们下一报头的值例如, 如图 2-7 所示,IPv6 报头中下一报头字段的值表明它的下一个报头是一个路由选择扩展报头 (43), 这个报头的下一报头字段表示它的下一个报头是一个分段扩展报头 (44), 依此类推最后一个扩展报头 AH 表示它的下一个报头是一个 TCP 报头 ( 协议号为 6) 图 2-6 扩展报头允许 IPv6 数据包传送该数据包需要的所有信息, 但传送的是该数据包仅仅需要传送的信息表 2-4 下一报头的值报头下一报头的值逐跳可选项 0 路由选择 43 分段 44

15 封装安全有效载荷 (ESP) 50 认证报头 (AH) 51 目的地可选项 60 TCP/IP 协议由协议定义的协议号的值 ( 例如 TCP=6,UDP=17,OSPF=89, 等等 ) 没有下一报头 59 如下 : 图 2-7 IPv6 报头中的下一报头字段和每一个扩展报头指定的跟在其后的报头在 RFC 1883 中描述了每一个扩展报头的格式但是概括来说, 每个扩展报头的功能逐跳可选项 (Hop-By-Hop Options) 传送必须被转发路径中的每一个节点都检验处理的信息例如, 路由器告警和超大包有效载荷选项等路由选择 (Routing) 通过列出在到达目的地的路径中数据包所要经过的节点列表来提供源路由选择的功能分段 (Fragment) 是指在一个数据包被分段时用来为接收节点重组数据包提供必要的信息在 IPv4 和 IPv6 数据包中有一个重要的不同是, 只有发起该数据包的节点能够对数据包进行分段 ; 而 IPv6 路由器对数据包并不分段因此, 发起该数据包的节点要么必须使用路径 MTU 发现 (Path MTU Discovery,PMD) 来得到该数据包到达目的地的路径上最小的 MTU 值, 要么就从不发出大于字节的数据包 PMD 将在下一小节中讲述 IPv6 协议规定运行 IPv6 的所有链路都必须能够支持最小字节大小的数据包因此, 发起数据包的节点如果可以选择的话, 可以利用最小长度大小选项, 而不用 PMD 封装安全有效载荷 (Encapsulating Security Payload,ESP) 用于有效载荷的加密封装认证报头 (Authentication Header,AH) 用于数据包必须在源与目的节点之间进行认证的情况目的地可选项 (Destination Options) 用于传送仅仅被目的节点, 或者可能是路由选择报头中列出的节点检验处理的信息

16 如果使用扩展报头的话, 在 RFC 1883 中也规定了它们应该出现的顺序这里严格规定, 如果使用逐跳可选项的话, 它必须直接跟在 IPv6 报头的后面, 以便于它能够被必须处理它的传输节点很容易的发现建议的扩展报头顺序如下 : 1.IPv6 报头 2. 逐跳可选项 3. 目的地可选项 ( 只有在路由选择报头中指定的中间路由器才必须处理这个报头 ) 4. 路由选择 5. 分段 6. 认证 7. 封装安全有效载荷 8. 目的地可选项 ( 只有最后的目的节点必须处理这个报头 ) 9. 上层报头 2.4 ICMPv6 正像 IPv4 一样,IPv6 也需要一个控制协议来交换与处理错误和信息的消息并且和 IPv4 一样, 它也使用 ICMP 来实现这一功能但是在 IPv6 中使用 ICMP 和在 IPv4 中使用 ICMP 并不一样在 IPv4 协议中 ICMP 使用的协议号是 1, 而在 IPv6 协议中 ICMPv6 使用的下一报头的值为 58 ICMPv6(Internet 消息控制协议第六版 ) 是在 RFC 2463 中规定的在 RFC 中定义的很多功能都和 IPv4 中 ICMP 的定义相同 ; 但是, 在 ICMPv6 中也有很多 ICMP 消息意义并不相同, 例如源抑制 (Source Quench) 和时间戳 (Timestamp) 消息比较图 2-8 中显示的 ICMPv6 报头和图 1-28 显示的 ICMP 报头, 读者能够看到它们基本上是相同的并且 ICMPv6 像 ICMP 一样使用一组类型与代码值的组合来标识一般的类型和它们的子类型在 RFC 1885 中给出了这些值的定义, 如表 2-5 中所列

17 图 2-8 ICMPv6 报头的格式表 2-5 ICMPv6 消息的类型域和代码域类型代码消息 1 目的地不可达 0 没有到达目的地的路由 1 和目的地的通信被管理员禁止 2 不是邻居 3 地址不可达 4 端口不可达 2 0 数据包长度太大 3 超时 0 在传输时超出跳数限制 1 分片的重组时间超时 4 参数问题 0 遇到错误的报头字段 1 遇到不可识别的下一报头类型 2 遇到不可识别的 IPv6 选项 ECHO 请求 ECHO 答复组成员请求组成员报告组成员减少 ICMPv6 协议除了基本的错误和信息控制功能外, 还包括一些使用 ICMPv6 消息的机制例如, 在前面章节里提到的路径 MTU 发现机制会发送长度越来越大的数据包到目的节点当一个给定的数据包长度超过到达目的节点的路径上最小的 MTU 时, 该数据包将被丢弃, 并发送一个数据包长度太大的消息给源地址, 从而源地址节点就可以知道这条路径上最小的

18 MTU 大小和 IPv4 一样,Echo 请求和 Echo 答复消息用于 Ping 的功能当中然而,ICMPv6 除了基本的错误和信息消息外, 还使用了一组单独的由基本的 IPv6 协议 ICMPv6 消息 : 邻居发现协议, 这将在下面讲述

第 7 章下一代网际协议 IPv6 141 足的措施只能是权宜之计 (3) 路由表膨胀早期 IPv4 的地址结构也造成了路由表的容量过大 IPv4 地址早期为网络号 + 主机号结构, 后来引入

第 7 章下一代网际协议 IPv6 141 足的措施只能是权宜之计 (3) 路由表膨胀早期 IPv4 的地址结构也造成了路由表的容量过大 IPv4 地址早期为网络号 + 主机号结构, 后来引入第 7 章下一代网际协议 IPv6 本章是有关下一代网际协议 IPv6 的描述, 重点介绍 IPv6 的产生原因 IPv6 的地址与 IPv6 首部格式等通过本章的学习, 读者应重点掌握和理解以下内容 : IPv4 向 IPv6 发展的必然性 IPv6 的新特性 IPv6 地