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 址 的 分 类 及 其 结 构 IPv6 基 本 报 头 结 构 IPv6 扩 展 报 头 及 应 用 7.1 概 述 Internet 协 议 的 第 4 版 (IPv4) 为 TCP/IP 协 议 簇 和 整 个 Internet 提 供 了 基 本 的 通 信 机 制 它 从 1970 年 底 被 采 纳 以 来, 几 乎 保 持 不 变 版 本 4 的 长 久 性 说 明 了 协 议 设 计 是 灵 活 和 强 有 力 的 从 设 计 IPv4 起 到 现 在, 处 理 器 存 储 器 Internet 的 主 干 网 带 宽 网 络 技 术 及 Internet 状 况 都 发 生 了 相 当 大 的 变 化 IPv4 虽 然 逐 渐 适 应 了 技 术 的 进 展, 但 也 逐 渐 暴 露 出 了 如 下 问 题 : (1) 地 址 枯 竭 IPv4 的 32 比 特 地 址 结 构 提 供 了 约 43 亿 个 地 址, 虽 然 数 量 不 少, 但 利 用 率 不 高 首 先, 早 期 的 分 类 地 址 模 式 造 成 了 大 量 地 址 的 浪 费, 如 早 期 美 国 的 大 学 或 大 公 司, 几 乎 都 能 得 到 一 个 完 整 的 A 类 或 B 类 地 址, 直 至 目 前 很 多 组 织 仍 拥 有 大 量 未 被 使 用 的 IP 地 址 ; 其 次, 地 址 分 配 存 在 地 域 上 的 不 平 衡, 已 经 分 配 的 IPv4 地 址 中, 美 国 大 约 占 有 60%, 亚 太 和 欧 洲 地 区 占 有 30%, 非 洲 和 拉 美 占 有 不 到 10%; 再 有, 用 于 组 播 的 D 类 和 保 留 的 E 类 地 址 占 了 所 有 地 址 的 12%, 还 有 2% 不 能 使 用 的 特 殊 地 址 基 于 以 上 原 因, 随 着 网 络 规 模 的 不 断 发 展, IPv4 地 址 面 临 着 短 时 间 内 枯 竭 的 问 题 对 IPv4 地 址 耗 尽 的 具 体 日 期 目 前 各 方 尚 未 达 成 一 致, 因 此 出 现 了 多 个 版 本 的 IPv4 枯 竭 计 数 器, 各 自 标 明 的 耗 尽 日 期 也 不 尽 相 同, 下 面 是 比 较 权 威 的 两 组 数 据, 以 供 参 考 截 至 2011 年 3 月, 距 离 IPv4 地 址 枯 竭 还 有 369 天 ( 源 自 penrose.uk6x.com)/ 36 天 ( 源 自 inetcore.com) (2)NAT 技 术 具 有 局 限 性 为 解 决 IPv4 比 较 紧 缺 的 问 题, 目 前 网 络 普 遍 使 用 NAT(Network Address Translation, 网 络 地 址 转 换 ) 技 术 NAT 技 术 将 私 有 地 址 映 射 到 公 有 地 址 上, 使 很 多 使 用 私 有 地 址 的 用 户 可 以 访 问 因 特 网 但 NAT 技 术 破 坏 了 端 到 端 的 应 用 模 型, 如 果 内 部 网 络 使 用 私 有 地 址 的 主 机 需 要 充 当 服 务 器, 配 置 起 来 比 较 麻 烦 此 外, 地 址 转 换 设 备 支 持 越 多 的 转 换, 越 会 给 设 备 增 加 更 大 的 负 载, 对 转 发 性 能 也 有 一 些 影 响 正 是 由 于 NAT 的 这 些 局 限, 使 得 它 作 为 解 决 IP 地 址 不
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 子 网 划 分 后 为 网 络 号 + 子 网 号 + 主 机 号 结 构, 这 两 种 结 构 不 能 进 行 地 址 块 的 聚 合 CIDR 技 术 的 出 现, 在 一 定 程 度 上 缓 解 了 这 个 问 题, 但 仍 有 历 史 遗 留 的 大 量 地 址 空 间 无 法 改 造 随 着 因 特 网 中 路 由 器 和 网 络 的 增 多, 路 由 表 容 量 的 压 力 将 会 越 来 越 大 (4) 地 址 配 置 不 够 简 便 IPv4 的 地 址 配 置 使 用 手 动 配 置 方 法 或 有 状 态 的 自 动 配 置 ( 如 DHCP, 动 态 主 机 配 置 协 议 ) 手 动 配 置 要 求 使 用 者 懂 得 一 定 的 计 算 机 网 络 知 识 ; 自 动 配 置 需 要 管 理 员 部 署 和 维 护 DHCP 服 务 以 上 都 需 要 IP 协 议 能 提 供 一 种 更 简 单 更 方 便 的 地 址 自 动 配 置 技 术, 减 少 工 作 量 和 管 理 难 度 (5) 安 全 性 和 QoS( 服 务 质 量 ) 方 面 的 问 题 IPv4 本 身 并 没 有 提 供 安 全 性 的 机 制, 如 果 需 要 安 全 保 证, 则 需 要 额 外 使 用 IPSec SSL 等 安 全 技 术 IPv4 虽 然 具 有 QoS 相 应 设 计, 但 是 因 为 种 种 原 因 在 实 际 当 中 并 没 得 到 普 及 和 使 用 在 现 实 中 涌 现 的 大 量 新 兴 网 络 业 务, 如 视 频 点 播 IP 电 话 等, 都 需 要 IP 网 络 在 时 延 抖 动 带 宽 出 错 率 方 面 提 供 一 定 的 服 务 质 量 保 障 IPv4 在 安 全 和 QoS 方 面 的 缺 陷 使 其 已 经 不 能 满 足 目 前 因 特 网 的 使 用 需 求 鉴 于 以 上 原 因, 人 们 认 识 到 需 要 设 计 一 种 新 的 IP 协 议 来 代 替 IPv4 从 1990 年 开 始, 互 联 网 工 程 任 务 小 组 (Internet Engineering Task Force,IETF) 开 始 规 划 IPv4 的 下 一 代 协 议, 除 要 解 决 即 将 遇 到 的 IP 地 址 短 缺 问 题 外, 还 要 发 展 更 多 的 扩 展 功 能 1994 年, 各 IP 领 域 的 代 表 们 在 多 伦 多 举 办 的 IETF 会 议 中 正 式 提 议 IPv6 发 展 计 划, 该 提 议 直 到 同 年 的 11 月 17 日 才 被 认 可, 并 于 1998 年 8 月 10 日 成 为 IETF 的 草 案 标 准 IPv6 被 设 计 成 不 仅 有 较 大 的 地 址 空 间, 而 且 有 更 好 的 性 能 可 以 说,IPv6 除 了 将 地 址 扩 大 为 128 位 之 外, 在 首 部 格 式 地 址 分 配 组 播 支 持 安 全 与 扩 展 性 等 方 面 也 都 作 出 了 改 进 IPv6 继 承 了 IPv4 的 优 点 并 弥 补 了 IPv4 的 不 足 IPv6 与 IPv4 并 不 兼 容, 但 与 其 他 协 议 兼 容, 即 IPv6 完 全 可 以 取 代 IPv4 IPv6 所 引 进 的 变 化 可 以 分 成 以 下 6 类 : 更 大 的 地 址 空 间 新 的 地 址 大 小 是 IPv6 最 显 著 的 变 化 IPv6 把 IPv4 的 32 位 地 址 增 大 到 了 128 位 IPv6 的 地 址 空 间 足 够 大, 在 可 预 见 的 将 来 不 会 耗 尽 灵 活 的 首 部 格 式 IPv6 使 用 一 种 全 新 的 与 IPv4 不 兼 容 的 数 据 报 格 式 IPv6 删 除 和 修 改 了 IPv4 首 部 的 一 些 字 段, 并 且 创 造 性 地 用 扩 展 首 部 替 代 了 IPv4 的 选 项 字 段 与 IPv4 相 比, 处 理 IPv6 首 部 的 速 度 更 快, 而 且 IPv6 首 部 实 现 的 功 能 更 多 和 更 具 扩 展 性 对 自 动 配 置 的 支 持 IPv6 引 入 了 无 状 态 的 地 址 自 动 配 置, 该 机 制 是 IPv6 的 基 本 组 成 部 分, 无 需 专 门 的 设 备 支 持 该 机 制 比 DHCP 更 简 单, 使 用 更 方 便, 这 使 得 网 络 ( 尤 其 是 局 域 网 ) 的 管 理 更 加 方 便 和 快 捷 支 持 资 源 分 配 IPv6 提 供 了 一 种 机 制, 允 许 对 网 络 资 源 进 行 预 分 配, 它 以 此 取 代 了 IPv4 的 服 务 类 型 说 明 这 些 新 的 机 制 支 持 实 时 视 频 等 应 用, 这 些 应 用 要 求 保 证 一 定 的 带 宽 和 时 延 此 外, 对 增 强 的 组 播 支 持 也 使 得 网 络 上 的 多 媒 体 有 了 长 足 发 展 的 机 会 更 小 的 路 由 表 IPv6 的 地 址 分 配 一 开 始 就 遵 循 聚 类 (Aggregation) 的 原 则, 这 使 得 路
142 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 技 术 ( 第 二 版 ) 由 器 能 在 路 由 表 中 用 一 条 记 录 表 示 一 片 子 网, 大 大 减 小 了 路 由 器 中 路 由 表 的 长 度, 提 高 了 路 由 器 转 发 数 据 包 的 速 度 更 高 的 安 全 性 在 IPv6 的 首 部 中, 增 加 了 安 全 的 扩 展 首 部, 支 持 IPv6 协 议 的 节 点 就 可 以 自 动 支 持 IPSec, 使 加 密 验 证 和 虚 拟 专 用 网 (VPN) 的 实 施 变 得 更 加 容 易 7.2 IPv6 地 址 在 IPv6 中, 每 个 地 址 占 128 位, 地 址 空 间 大 于 3.4 10 38 如 果 整 个 地 球 表 面 ( 包 括 陆 地 和 水 面 ) 都 覆 盖 着 计 算 机, 那 么 IPv6 允 许 每 平 方 米 拥 有 7 10 23 个 IP 地 址 如 果 地 址 分 配 速 率 是 每 微 秒 分 配 100 万 个 地 址, 则 需 要 10 19 年 时 间 才 能 将 所 有 可 能 的 地 址 分 配 完 毕 可 见 在 想 象 得 到 的 将 来,IP 的 地 址 空 间 是 不 可 能 用 完 的 考 虑 到 IPv6 的 地 址 分 配 方 式, 不 是 每 一 个 地 址 都 可 以 得 到 使 用, 但 是 分 配 到 每 个 人, 其 数 量 仍 然 是 巨 大 的 1.IPv6 地 址 格 式 巨 大 的 地 址 范 围 还 必 须 使 维 护 互 联 网 的 人 易 于 阅 读 和 操 纵 这 些 地 址 IPv4 所 用 的 点 分 十 进 制 记 法 现 在 也 不 够 方 便 了 读 者 可 以 想 象 用 点 分 十 进 制 记 法 的 128 位 (16 字 节 ) 的 地 址 写 法 会 有 多 么 不 便 因 此, 依 据 RFC 4291(IP Version 6 Addressing Architecture),IPv6 的 地 址 有 3 种 格 式 : 首 选 格 式 压 缩 表 示 和 内 嵌 IPv4 地 址 的 IPv6 地 址 表 示 首 选 格 式 中,IPv6 地 址 的 128 位 中 每 16 位 为 一 段 (field), 每 段 的 16 位 二 进 制 数 又 分 别 转 换 为 4 个 十 六 进 制 数, 这 样 128 位 的 IPv6 地 址 就 被 分 成 了 8 段, 每 段 之 间 用 冒 号 分 隔 这 种 表 示 方 法 叫 冒 号 十 六 进 制 表 示 方 法 下 面 是 一 个 二 进 制 表 示 的 128 位 的 IPv6 地 址 : 0010000000000001000011011011100000000000000000000000000000000000 0000000000001000000010000000000000100000000011000100000101111010 将 其 分 为 8 段, 每 16 位 一 段 : 0010000000000001 0000110110111000 0000000000000000 0000000000000000 0000000000001000 0000100000000000 0010000000001100 0100000101111010 每 段 都 转 换 为 4 个 十 六 进 制 数, 段 之 间 用 冒 号 隔 开, 就 成 为 了 如 下 的 地 址 形 式 : 2001:0DB8:0000:0000:0008:0800:200C:417A 在 IPv6 地 址 的 每 段 中, 前 导 的 0 可 以 去 掉, 但 每 段 要 至 少 保 留 一 个 数 字, 上 述 IP 地 址 去 掉 前 导 0 的 过 程 如 图 7 1 所 示 2001: 0DB8: 0000: 0000: 0008: 0800: 200C: 417A 前 导 0 省 略 2001:DB8:0:0:8:800:200C:417A 图 7 1 IPv6 地 址 中 省 略 前 导 0 为 了 使 地 址 更 加 简 洁,IPv6 使 用 压 缩 表 示 的 格 式, 如 果 IPv6 地 址 存 在 一 个 或 多 个 连 续 的 全 0 段, 这 一 个 或 多 个 段 用 :: 表 示
第 7 章 下 一 代 网 际 协 议 IPv6 143 如 地 址 2001: DB8: 0: 0: 8:800:200C:417A 中, 第 3 4 段 均 为 全 0 ( 即 每 段 的 16 位 均 为 0), 则 3 4 段 可 压 缩 为 ::, 压 缩 后 该 地 址 为 2001: DB8:: 8:800:200C:417A 下 列 是 一 些 地 址 的 例 子 : FF01:0:0:0:0:0:0:101 一 个 组 播 地 址 0:0:0:0:0:0:0:1 环 回 地 址 0:0:0:0:0:0:0:0 未 指 定 地 址 可 以 被 压 缩 为 : FF01::101 一 个 组 播 地 址 ::1 环 回 地 址 :: 未 指 定 地 址 需 要 注 意 的 是, 为 避 免 歧 义, 该 压 缩 方 法 只 能 使 用 一 次, 一 般 压 缩 较 长 的 部 分, 如 图 7 2 所 示 图 7 2 压 缩 方 法 只 能 用 一 次 在 IPv6 过 渡 机 制 中, 为 和 IPv4 地 址 共 存, 还 使 用 了 内 嵌 IPv4 地 址 的 IPv6 地 址 表 示 在 这 种 表 示 方 法 中,IPv6 地 址 的 第 一 部 分 用 冒 号 十 六 进 制 表 示, 而 IPv4 地 址 部 分 是 点 分 十 进 制 格 式 : x:x:x:x:x:x:d.d.d.d (x 表 示 一 个 4 位 的 十 六 进 制 数,d 表 示 IPv4 地 址 中 的 一 个 十 进 制 数 ) 2.IPv6 地 址 分 类 IPv6 地 址 用 于 标 识 不 同 的 网 络 接 口, 按 其 标 识 网 络 接 口 的 多 少,IPv6 地 址 有 3 种 类 型 : 单 播 (Unicast) 组 播 (Multicast) 和 任 播 (Anycast) 广 播 地 址 已 不 再 有 效, 其 功 能 由 组 播 地 址 来 实 现 (1) 单 播 地 址 一 个 单 接 口 的 标 识 符, 可 以 作 为 源 地 址 和 目 的 地 址 送 往 一 个 单 播 地 址 的 包 将 被 传 送 至 该 地 址 标 识 的 接 口 上 单 播 地 址 按 其 作 用 范 围 不 同, 又 可 分 为 : 链 路 - 本 地 地 址 (Link local Address) 站 点 - 本 地 地 址 (Site local Address, 目 前 已 被 唯 一 本 地 地 址 取 代 ) 可 汇 聚 的 全 球 单 播 地 址 (Aggregatable Global Unicast Address), 如 图 7 3 所 示 图 7 3 单 播 地 址 按 作 用 范 围 分 类 可 汇 聚 的 全 球 单 播 地 址 用 于 全 球 范 围 内 的 通 信, 通 俗 地 说 就 是 IPv6 的 公 网 地 址, 其 前 缀 的 高 3 位 固 定 为 001, 根 据 RFC3177 (IAB IESG Recommendations on IPv6 Address Allocations to Sites) 的 建 议, 其 地 址 结 构 如 图 7 4 所 示 其 中 全 球 路 由 选 择 前 缀 和 高 3 位 001 共 占 48 位, 用 于 进 行 全 球 范 围 内 的 路 由 ; 子 网 标 识 符 占 16 位, 用 于 组 织 内 部 标 识 子 网 ; 接 口 标 识 符 占 64 位, 用 于 标 识 链 路 上 的 不 同 接 口
144 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 技 术 ( 第 二 版 ) 图 7 4 可 汇 聚 的 全 球 单 播 地 址 结 构 链 路 - 本 地 地 址 用 于 单 个 链 路 上 的 设 备 通 信 两 个 设 备 在 单 个 链 路 上 是 指 设 备 间 没 有 三 层 设 备 ( 如 路 由 器 ) 分 隔, 只 有 一 层 或 二 层 设 备 相 连 当 支 持 IPv6 的 节 点 上 线 时, 每 个 接 口 默 认 地 自 动 配 置 链 路 - 本 地 地 址, 该 地 址 专 门 用 来 和 链 路 上 的 其 他 主 机 通 信 链 路 - 本 地 地 址 主 要 用 于 寻 找 邻 居 或 路 由 器 等 操 作 在 主 机 启 动 后 尚 未 获 取 较 大 范 围 的 地 址 时, 可 以 使 用 链 路 - 本 地 地 址 进 行 通 信 其 地 址 结 构 如 图 7 5 所 示 图 7 5 链 路 - 本 地 地 址 结 构 下 面 以 Windows XP 为 例, 说 明 怎 样 查 看 链 路 - 本 地 地 址 首 先, 在 Windows XP 下 安 装 IPv6 协 议 其 具 体 步 骤 为 : 1) 打 开 命 令 提 示 符, 方 法 是 单 击 开 始 所 有 程 序 附 件 命 令 提 示 符 命 令 2) 在 命 令 提 示 符 下 依 次 输 入 netsh int ipv6 install, 如 图 7 6 所 示 图 7 6 IPv6 协 议 的 安 装 所 示 3) 在 命 令 提 示 符 下 查 看 本 机 IPv6 地 址, 依 次 输 入 netsh int ipv6 show add, 如 图 7 7 图 7 7 查 看 链 路 - 本 地 地 址 查 看 到 本 机 的 链 路 - 本 地 地 址 为 fe80::be30:5bff:fec2:9feb 可 以 看 出, 链 路 - 本 地 地 址 的 十 六 进 制 形 式 为 FE80::InterfaceID, 其 前 缀 固 定 为 FE80::/64, 其 接 口 标 识 符 使 用 EUI 64 方 法 自 动 生 成 站 点 - 本 地 地 址 与 IPv4 中 的 私 有 地 址 类 似 使 用 站 点 - 本 地 地 址 作 为 源 或 目 的 地 址 的 数 据 报 文 不 会 被 转 发 到 本 站 点 ( 相 当 于 一 个 私 有 网 络 ) 外 的 其 他 站 点 站 点 - 本 地 地 址 使 用
第 7 章 下 一 代 网 际 协 议 IPv6 145 FEC0::/10 前 缀 因 为 站 点 - 本 地 地 址 的 一 些 缺 陷, 目 前 该 地 址 已 被 唯 一 本 地 地 址 (Unique Local Address) 取 代, 唯 一 本 地 地 址 使 用 FC00::/7 前 缀 单 播 地 址 的 接 口 标 识 符 (InterfaceID) 用 于 标 识 链 路 上 的 不 同 接 口, 可 以 自 动 生 成 或 手 动 配 置 在 以 太 网 中 一 般 使 用 EUI 64 方 法 生 成 接 口 标 识 符 因 为 以 太 网 接 口 即 为 以 太 网 卡, 所 以 接 口 标 识 符 和 网 卡 对 应 EUI 64 方 法 用 网 卡 MAC 地 址 生 成 接 口 标 识 符 EUI 64 转 换 过 程 中 首 先 将 16 位 的 1111111111111110(0xFFFE) 插 入 到 MAC 地 址 的 前 24 位 和 后 24 位 之 间, 再 将 MAC 地 址 的 U/L 位 ( 全 局 / 本 地 位, 是 第 一 个 字 节 的 第 7 位 ) 置 为 1 一 个 转 换 示 例 如 图 7 8 所 示 0212:34FF:FE00:ABCD 图 7 8 MAC 地 址 到 EUI 64 格 式 接 口 标 识 符 的 转 换 过 程 (2) 组 播 地 址 一 组 接 口 ( 一 般 属 于 不 同 节 点 ) 的 标 识 符, 只 可 作 为 目 的 地 址 送 往 一 个 组 播 地 址 的 数 据 包 将 被 传 送 至 由 该 地 址 标 识 的 所 有 接 口 上 因 为 一 个 组 播 地 址 对 应 多 个 接 口, 所 以 需 要 清 楚 一 个 给 出 的 组 播 地 址 与 哪 些 接 口 对 应 IPv6 的 组 播 地 址 比 较 重 要, 不 仅 取 代 了 IPv4 中 的 广 播 地 址, 而 且 完 成 了 其 他 一 些 常 见 功 能 IPv6 组 播 地 址 前 8 位 为 11111111, 即 使 用 FF::/8 前 缀, 其 结 构 如 图 7 9 所 示 图 7 9 组 播 地 址 结 构 Flags( 标 志 ) 字 段 指 出 在 组 播 地 址 上 设 置 的 标 志 该 字 段 为 4 位 从 RFC 2373 起, 定 义 的 唯 一 标 志 是 该 字 段 的 最 后 一 位, 该 位 被 定 义 为 Transient(T) 标 志, 其 余 三 位 必 须 置 0 当 设 置 为 0 时,T 标 志 指 出 组 播 地 址 是 由 Internet 编 号 授 权 委 员 会 (IANA) 永 久 指 派 的 多 播 地 址 当 设 置 为 1 时,T 标 志 指 出 组 播 地 址 是 临 时 ( 非 永 久 指 派 ) 的 组 播 地 址 Scope( 作 用 域 ) 字 段 指 出 组 播 通 信 发 生 的 IPv6 网 络 的 作 用 域 该 字 段 的 大 小 为 4 位 用 来 限 制 组 播 数 据 流 在 网 络 中 发 送 的 范 围 以 下 是 作 用 域 在 RFC 2373 中 的 定 义 : 0: 预 留 1: 节 点 本 地 范 围 2: 链 路 本 地 范 围
146 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 技 术 ( 第 二 版 ) 5: 站 点 本 地 范 围 8: 组 织 本 地 范 围 E: 全 局 范 围 F: 预 留 其 中, 链 路 本 地 范 围 站 点 本 地 范 围 全 局 范 围 与 单 播 地 址 中 的 相 应 范 围 含 义 相 同 节 点 本 地 范 围 代 表 一 个 节 点 内 部 的 范 围, 仅 用 于 在 节 点 内 部 发 送 环 回 测 试 的 组 播 数 据 ; 组 织 本 地 范 围 代 表 属 于 一 个 组 织 的 多 个 站 点 的 范 围 例 如, 使 用 组 播 地 址 FF02::2 的 通 信 有 链 路 本 地 作 用 域 IPv6 路 由 器 永 远 不 会 将 此 通 信 转 发 到 本 地 链 路 以 外 Group ID ( 组 ID) 字 段 标 识 了 组 播 组, 并 且 在 作 用 域 中 是 唯 一 的 该 字 段 的 大 小 为 112 位 永 久 指 派 的 组 ID 独 立 于 作 用 域 临 时 组 ID 仅 与 特 定 的 作 用 域 有 关 因 为 IPv6 的 组 播 地 址 取 代 了 IPv4 中 的 广 播 地 址, 所 以 又 定 义 了 相 关 作 用 范 围 内 的 一 些 组 播 地 址, 这 些 地 址 均 为 IANA 永 久 指 派 的 组 播 地 址 (3) 任 播 地 址 一 组 接 口 ( 一 般 属 于 不 同 节 点 ) 的 标 识 符, 只 可 作 为 目 的 地 址 发 送 到 任 播 地 址 的 数 据 报 文 被 传 送 给 此 地 址 所 标 识 的 一 组 接 口 中 距 离 源 节 点 最 近 ( 根 据 使 用 的 路 由 协 议 进 行 度 量 ) 的 一 个 接 口 单 播 允 许 源 节 点 向 单 一 目 标 节 点 发 送 数 据 报, 组 播 允 许 源 节 点 向 一 组 目 标 节 点 发 送 数 据 报, 而 任 播 则 允 许 源 节 点 向 一 组 目 标 节 点 中 的 一 个 节 点 发 送 数 据 报, 而 这 个 节 点 由 路 由 系 统 选 择, 对 源 节 点 透 明 ; 同 时, 路 由 系 统 选 择 最 近 的 节 点 为 源 节 点 提 供 服 务, 从 而 在 一 定 程 度 上 为 源 节 点 提 供 了 更 好 的 服 务, 也 减 轻 了 网 络 负 载 为 了 易 于 传 输 到 最 近 的 任 意 广 播 组 成 员, 路 由 结 构 必 须 知 道 指 派 任 意 广 播 地 址 的 接 口 以 及 按 照 路 由 度 量 的 距 离 目 前, 任 意 广 播 地 址 只 被 用 于 目 标 地 址, 并 且 只 被 指 派 给 路 由 器 任 意 广 播 地 址 从 单 播 地 址 空 间 指 派 任 意 广 播 地 址 的 作 用 域 是 指 派 任 意 广 播 地 址 的 单 播 地 址 类 型 的 作 用 域 3. 无 状 态 的 地 址 分 配 IPv6 单 播 地 址 配 置 可 以 分 为 手 动 地 址 配 置 和 自 动 地 址 配 置 两 种 方 式 自 动 地 址 配 置 方 式 又 可 以 分 为 无 状 态 地 址 自 动 配 置 和 有 状 态 地 址 自 动 配 置 两 种 在 无 状 态 地 址 自 动 配 置 方 式 下, 网 络 接 口 接 收 路 由 器 宣 告 的 全 局 地 址 前 缀, 再 结 合 接 口 ID 得 到 一 个 全 局 单 播 地 址 在 有 状 态 地 址 自 动 配 置 的 方 式 下, 主 要 采 用 动 态 主 机 配 置 协 议 (DHCP), 需 要 配 备 专 门 的 DHCP 服 务 器, 网 络 接 口 通 过 客 户 机 / 服 务 器 模 式 从 DHCP 服 务 器 处 得 到 地 址 配 置 信 息 与 手 动 地 址 配 置 相 比, 无 状 态 地 址 自 动 配 置 无 需 用 户 进 行 操 作, 提 高 了 地 址 配 置 的 自 动 化 程 度 ; 与 有 状 态 地 址 自 动 配 置 (DHCP) 相 比, 无 状 态 地 址 自 动 配 置 只 需 路 由 器 通 告 前 缀, 而 无 需 记 录 地 址 的 分 配 情 况, 减 少 了 设 备 的 负 担 在 无 状 态 地 址 自 动 配 置 过 程 中, 路 由 器 负 责 前 缀 通 告 节 点 收 到 路 由 器 通 告 的 地 址 前 缀 后, 加 上 自 动 生 成 的 地 址 后 缀 ( 接 口 ID) 即 可 得 到 完 整 的 地 址 节 点 在 生 成 地 址 后 缀 时, 一 般 使 用 EUI 64 方 法 基 于 MAC 地 址 生 成, 因 此 在 同 一 网 段 中 不 会 出 现 地 址 冲 突 无 状 态 地 址 自 动 配 置 的 具 体 过 程 由 IPv6 的 ND(Neighbor Discovery, 邻 居 发 现 ) 协 议 完 成, 感 兴 趣 的 读 者 可 查 阅 相 关 资 料
第 7 章 下 一 代 网 际 协 议 IPv6 147 7.3 IPv6 基 本 格 式 IPv6 的 数 据 报 格 式 如 图 7 10 所 示 图 7 10 IPv6 数 据 报 一 般 格 式 IPv6 数 据 报 由 IPv6 基 本 报 头 和 IPv6 有 效 载 荷 组 成 基 本 首 部 (Base Header) 的 大 小 固 定, 其 后 的 有 效 载 荷 中 允 许 有 零 个 或 多 个 扩 展 首 部 (Extension Header), 再 后 是 上 层 协 议 的 数 据 IPv6 通 过 将 IPv4 报 头 中 的 某 些 字 段 裁 减 或 移 入 到 扩 展 报 头, 减 小 了 IPv6 基 本 报 头 的 长 度 IPv6 使 用 固 定 长 度 的 基 本 报 头, 从 而 简 化 了 转 发 设 备 对 IPv6 报 文 的 处 理, 提 高 了 转 发 效 率 尽 管 IPv6 地 址 长 度 是 IPv4 地 址 长 度 的 4 倍, 但 IPv6 基 本 报 头 的 长 度 只 有 40 字 节, 为 IPv4 报 头 长 度 ( 不 包 括 选 项 字 段 ) 的 2 倍 图 7 11 所 示 为 IPv6 基 本 首 部 的 格 式 每 个 IPv6 数 据 报 都 从 基 本 首 部 开 始 IPv6 基 本 首 部 的 不 少 字 段 可 以 和 IPv4 首 部 中 的 字 段 直 接 对 应 图 7 11 IPv6 数 据 报 基 本 首 部 格 式 下 面 介 绍 IPv6 基 本 首 部 中 的 各 字 段 (1) 版 本 (Version) 此 字 段 占 4 位, 它 指 明 了 协 议 的 版 本, 对 于 IPv6 该 字 段 总 是 6 (2) 通 信 流 类 别 (Traffic Class) 此 字 段 占 8 位, 指 明 数 据 报 的 流 类 型 该 字 段 执 行 与 IPv4 首 部 服 务 类 型 相 同 的 功 能 (3) 流 标 号 (Flow Label) 此 字 段 占 20 位, 该 字 段 标 明 了 一 个 流, 其 目 的 是 不 需 要 查 看 内 部 数 据 路 由 器 就 能 识 别 属 于 同 一 流 的 数 据 并 以 类 似 的 方 式 进 行 处 理 IPv6 提 出 流 的 抽 象 概 念 所 谓 流 就 是 互 联 网 上 从 一 个 特 定 源 站 到 一 个 特 定 目 的 站 ( 单 播
148 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 技 术 ( 第 二 版 ) 或 多 播 ) 的 一 系 列 数 据 报, 而 源 站 要 求 在 数 据 报 传 输 路 径 上 的 路 由 器 保 证 指 明 的 服 务 质 量 例 如, 两 个 要 发 送 视 频 的 应 用 程 序 可 以 建 立 一 个 流, 它 们 所 需 要 的 带 宽 和 时 延 在 此 流 上 可 得 到 保 证 另 一 种 方 式 是, 网 络 提 供 者 可 能 要 求 用 户 指 明 他 所 期 望 的 服 务 质 量, 然 后 使 用 一 个 流 来 限 制 某 个 指 明 的 计 算 机 或 指 明 的 应 用 程 序 所 发 送 的 业 务 流 量 流 也 可 以 用 于 某 个 给 定 的 组 织, 用 它 来 管 理 网 络 资 源, 以 保 证 所 有 的 应 用 能 公 平 地 使 用 网 络 所 有 属 于 同 一 个 流 的 数 据 报 都 具 有 同 样 的 流 标 号 源 站 在 建 立 流 时 是 在 2 20 1 个 流 标 号 中 随 机 选 择 一 个, 即 流 标 识 符 流 标 号 0 保 留, 作 为 指 出 没 有 采 用 流 标 号 源 站 随 机 地 选 择 流 标 号 并 不 会 在 计 算 机 之 间 产 生 冲 突, 因 为 路 由 器 在 将 一 个 特 定 的 流 与 一 个 数 据 报 相 关 联 时, 使 用 的 是 数 据 报 的 源 地 址 和 流 标 号 的 组 合 (4) 有 效 载 荷 长 度 (Payload Length) 此 字 段 占 16 位, 指 明 除 首 部 自 身 的 长 度 外,IPv6 数 据 报 所 载 的 字 节 数 可 见 一 个 IPv6 数 据 报 可 容 纳 64KB 的 数 据 由 于 IPv6 的 首 部 长 度 是 固 定 的, 因 此 没 有 必 要 像 IPv4 那 样 指 明 数 据 报 的 总 长 度 ( 首 部 与 数 据 部 分 之 和 ) (5) 下 一 个 首 部 (Next Header) 此 字 段 占 8 位, 标 识 接 在 IPv6 基 本 首 部 后 面 的 扩 展 首 部 的 类 型 (6) 跳 数 限 制 (Hop Limit) 此 字 段 占 8 位, 用 来 防 止 数 据 报 在 网 络 中 无 限 期 地 存 在 源 站 在 每 个 数 据 报 发 出 时 即 设 定 某 个 跳 数 限 制 每 一 个 路 由 器 在 转 发 数 据 报 时, 要 先 将 跳 数 限 制 字 段 中 的 值 减 1 当 跳 数 限 制 的 值 为 零 时, 就 要 将 此 数 据 报 丢 弃 这 相 当 于 IPv4 首 部 中 的 寿 命 字 段, 但 比 IPv4 中 的 计 算 时 间 间 隔 要 简 单 些 (7) 源 站 IP 地 址 此 字 段 占 128 位, 是 此 数 据 报 的 发 送 站 的 IP 地 址 (8) 目 的 站 IP 地 址 此 字 段 占 128 位, 是 此 数 据 报 的 接 收 站 的 IP 地 址 下 面 是 一 个 IPv6 数 据 报 的 实 例, 如 图 7 12 所 示 图 7 12 IPv6 数 据 报 首 部 该 数 据 报 是 在 图 7 13 的 ping 命 令 过 程 中, 由 主 机 发 送 的 第 一 个 ping 命 令 的 报 文 IPv6 数 据 报 首 部 各 字 段 的 取 值 和 含 义 如 下 : 版 本 (Verison)=6: 说 明 此 IP 数 据 报 是 IPv6 的 数 据 报 流 类 别 (Traffic Class)=0: 说 明 此 IPv6 数 据 报 属 于 默 认 的 流 类 型, 无 需 特 殊 处 理 流 标 号 (Flow Label)=0: 不 使 用 流 功 能, 所 以 该 字 段 的 取 值 一 般 为 0 有 效 载 荷 长 度 (Payload Length)=40: 说 明 有 效 载 荷 一 共 为 40 字 节
第 7 章 下 一 代 网 际 协 议 IPv6 149 图 7 13 IPv6 下 的 ping 命 令 下 一 个 首 部 (Next Header)=58( 即 十 六 进 制 3a): 说 明 载 荷 部 分 数 据 为 ICMPv6 的 数 据, 由 此 可 以 看 出 此 IPv6 数 据 报 没 有 扩 展 首 部, 载 荷 部 分 直 接 为 上 层 协 议 数 据 跳 数 限 制 (Hop Limit)=128: 说 明 此 数 据 报 在 传 输 过 程 中 最 多 跨 越 128 台 路 由 器 源 站 IP 地 址 =fe80::240:5ff:fe42:e967: 该 地 址 为 数 据 报 的 发 送 主 机 的 地 址, 由 取 值 可 以 看 出, 这 是 一 个 链 路 - 本 地 地 址 目 的 站 IP 地 址 = fe80::20d:88ff:fe47:5826: 该 地 址 为 数 据 报 接 收 方 主 机 的 地 址, 也 是 一 个 链 路 - 本 地 地 址 该 地 址 是 执 行 ping 命 令 时 由 用 户 指 定 的 7.4 IPv6 扩 展 首 部 基 本 的 IPv6 首 部 对 于 执 行 转 发 等 基 本 功 能 是 足 够 的, 但 一 些 扩 展 功 能, 如 源 站 指 定 路 由 等, 还 需 要 更 多 的 字 段 因 为 基 本 首 部 是 固 定 的, 所 以 IPv6 将 实 现 扩 展 功 能 的 部 分 放 到 有 效 载 荷 中 根 据 需 要, IPv6 基 本 首 部 后 面 的 有 效 载 荷 中 可 以 有 0 个 1 个 或 多 个 连 续 的 扩 展 首 部, 每 个 扩 展 首 部 分 别 实 现 不 同 的 扩 展 功 能, 参 见 图 7 10 通 过 扩 展 首 部,IPv6 比 IPv4 提 供 了 更 多 扩 展 功 能 IPv4 选 项 字 段 受 限 于 40 个 字 节, 而 IPv6 扩 展 首 部 仅 受 限 于 分 组 大 小 而 且, 除 了 逐 跳 选 项 扩 展 首 部 外, 路 由 器 只 处 理 基 本 首 部, 而 不 处 理 其 余 扩 展 首 部, 这 样 提 高 了 转 发 效 率 并 减 少 了 中 间 路 由 器 的 负 担 每 个 基 本 首 部 和 扩 展 首 部 都 包 含 一 个 下 一 个 首 部 (Next Header) 字 段 从 基 本 首 部 开 始, 每 个 下 一 个 首 部 字 段 指 明 后 续 首 部 的 类 型 最 后 一 个 扩 展 首 部 的 下 一 个 首 部 字 段 指 明 了 后 面 高 层 协 议 的 类 型 例 如, 图 7 14 展 示 了 3 个 数 据 报 的 下 一 个 首 部 字 段 基 本 首 部 next header =TCP TCP 报 文 基 本 首 部 next header =ROUTE (a) 只 有 一 个 基 本 首 部 路 由 首 部 next header =TCP TCP 报 文 (b) 一 个 基 本 首 部 和 一 个 扩 展 首 部 基 本 首 部 next header =hop by hop hop by hop 首 部 next header =ROUTE 路 由 首 部 next header =TCP TCP 报 文 (c) 一 个 基 本 首 部 和 两 个 扩 展 首 部 图 7 14 IPv6 数 据 报 的 首 部 与 扩 展 首 部
150 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 技 术 ( 第 二 版 ) 图 7 14 的 (a)(b)(c) 分 别 包 含 0 l 2 个 扩 展 首 部, 每 个 首 部 的 下 一 个 首 部 指 明 了 接 下 去 的 首 部 的 类 型 其 中 因 为 第 一 个 数 据 报 包 含 0 个 扩 展 首 部, 所 以 其 基 本 首 部 的 下 一 个 首 部 字 段 直 接 指 明 了 高 层 协 议 的 类 型 是 TCP 下 面 介 绍 几 种 扩 展 首 部 及 其 功 能 1. 逐 跳 选 项 扩 展 首 部 逐 跳 选 项 (hop by hop options) 扩 展 首 部 所 携 带 的 信 息 在 数 据 报 传 送 的 路 径 上 每 一 个 路 由 器 都 必 须 加 以 检 查 到 目 前 为 止, 只 定 义 了 一 个 选 项 : 超 大 净 荷, 格 式 如 图 7 15 所 示 图 7 15 超 大 净 荷 选 项 这 个 选 项 支 持 超 过 65535 字 节 的 净 载 荷, 当 使 用 这 个 选 项 时,IPv6 固 定 报 头 中 的 净 载 荷 字 段 要 设 置 为 0 hop by hop 扩 展 首 部 包 括 以 下 几 个 字 段 : (1) 下 一 个 首 部 (8 bit) (2) 扩 展 首 部 的 长 度 (8bit) : 长 度 以 8 字 节 为 单 位, 但 不 包 括 最 开 始 的 8 个 字 节, 所 以 这 个 字 段 目 前 值 为 0 (3) 选 项 类 型 (8bit): 选 项 类 型 中 低 5 bit 指 明 一 个 具 体 的 选 项 选 项 类 型 中 最 高 的 2bit 指 明 当 一 个 节 点 不 能 识 别 这 一 选 项 时 应 采 取 如 下 行 动 : 00: 跳 过 此 选 项, 继 续 处 理 这 个 首 部 01: 丢 弃 此 数 据 报, 但 不 发 送 ICMP 报 文 10: 丢 弃 此 数 据 报, 向 源 站 发 送 ICMP 报 文, 指 出 不 能 识 别 的 选 项 类 型 11: 丢 弃 此 数 据 报, 向 源 站 用 非 多 播 方 式 发 送 ICMP 报 文, 指 出 不 能 识 别 的 选 项 类 型 选 项 类 型 中 第 3 个 高 位 比 特 指 明 在 数 据 报 从 源 站 到 目 的 站 的 传 送 过 程 中 不 允 许 改 变 (0) 或 允 许 改 变 (1) 这 里 的 194 对 应 二 进 制 11000010 高 两 位 11, 指 明 当 节 点 不 能 识 别 此 选 项 的 含 义 时 应 采 取 的 行 动 ; 第 三 位 为 0, 指 明 在 数 据 报 从 源 站 到 目 的 站 的 传 送 过 程 中 不 允 许 改 变 ; 后 5 位 为 00010, 定 义 为 超 大 净 载 荷 选 项 报 头 (4) 净 载 荷 长 度 的 字 节 数 (8bit), 当 前 值 为 4: 表 示 用 接 下 来 的 4 个 字 节 (32bit) 表 示 净 载 荷 长 度 接 下 来 的 4 字 节 表 明 净 载 荷 长 度 小 于 65535 字 节 的 长 度 是 不 允 许 的, 第 一 台 路 由 器 将 会 丢 弃 此 类 分 组 并 作 为 不 能 识 别 的 选 项 处 理, 向 源 站 发 ICMP 出 错 消 息 32bit 长 的 字 段 可 指 明 超 过 4GB 长 的 数 据 对 于 这 种 数 据 报 不 能 有 分 片 扩 展 首 部 这 有 利 于 传 送 大 量 的 视 频 数 据 或 在 超 级 计 算 机 之 间 传 送 GB 量 级 的 数 据, 也 有 利 于 使 IPv6 最 佳 地 使 用 任 何 传 输 介 质 可 供 使 用 的 容 量
第 7 章 下 一 代 网 际 协 议 IPv6 151 2. 路 由 选 择 扩 展 首 部 路 由 选 择 扩 展 首 部 用 于 源 站 选 路, 它 具 有 如 下 一 些 字 段 ( 见 图 7 16) : (1) 下 一 个 首 部 (8bit) (2) 路 由 选 择 类 型 (8bit), 目 前 置 为 零 (3) 地 址 数 目 (8bit) : 即 在 此 扩 展 首 部 中 所 指 明 的 地 址 数 (0~23), 这 些 地 址 指 明 了 数 据 报 必 须 要 通 过 的 中 间 路 由 器 (4) 下 一 个 地 址 (8bit): 指 明 下 一 个 要 找 的 地 址 这 个 字 段 在 初 始 化 时 为 零, 以 后 每 经 过 一 个 路 由 器, 就 将 此 字 段 的 值 加 l (5) 比 特 掩 码 (24bit): 每 一 个 比 特 对 应 于 24 个 地 址 中 的 一 个 若 某 个 比 特 为 1, 则 表 示 是 严 格 的 源 站 选 路, 即 该 比 特 所 对 应 的 地 址 必 须 成 为 它 前 一 个 地 址 的 下 一 站 地 址 反 之, 若 某 个 比 特 为 0, 则 表 示 是 不 严 格 的 源 站 选 路, 即 该 比 特 所 对 应 的 地 址 不 一 定 必 须 是 它 前 一 个 地 址 的 下 一 站 地 址 0 8 16 24 31 下 一 个 首 部 0 地 址 数 目 下 一 个 地 址 保 留 比 特 掩 码 地 址 1~24 每 个 地 址 均 为 128 bit 图 7 16 路 由 选 择 扩 展 首 部 3. 分 片 扩 展 首 部 IPv6 将 分 片 限 制 为 由 源 站 来 完 成 在 发 送 数 据 前, 源 站 必 须 进 行 一 种 称 为 路 径 的 最 大 传 送 单 元 发 现 (Path MTU Discovery) 的 技 术, 以 此 来 确 定 沿 着 这 条 路 径 到 目 的 站 的 最 小 MTU 在 发 送 数 据 报 前, 源 站 先 将 数 据 报 分 片, 保 证 每 个 数 据 报 片 都 小 于 此 路 径 的 MTU 因 此, 分 片 是 端 到 端 的, 中 间 的 路 由 器 不 需 要 进 行 分 片 IPv6 基 本 首 部 中 不 包 含 用 于 分 片 的 字 段, 而 是 在 需 要 分 片 时, 源 站 在 数 据 报 片 的 基 本 首 部 的 后 边 插 入 一 个 小 的 分 片 扩 展 首 部 ( 见 图 7 17) 0 8 16 29 31 下 一 个 首 部 保 留 片 偏 移 保 留 M 标 识 符 图 7 17 分 片 扩 展 首 部 IPv6 保 留 了 IPv4 分 片 的 大 部 分 特 征 下 一 个 首 部 字 段 指 明 紧 接 着 这 个 扩 展 首 部 的 下 一 个 首 部 保 留 字 段 是 为 今 后 使 用 的 片 偏 移 字 段 共 13bit, 它 指 明 本 数 据 报 片 在 原 来 的 数 据 报 中 的 偏 移 量, 其 单 位 是 8 个 字 节 可 见 每 个 数 据 报 片 必 须 是 8 个 字 节 的 倍 数 再 后 面 的 保 留 字 段 占 2bit, 也 是 为 今 后 使 用 的 M 字 段 中 只 有 1 个 比 特 M=1 表 示 后 面 还 有 数 据 报 片,M=0 表 示 已 经 是 最 后 一 个 数 据 报 片 标 识 符 字 段 采 用 32bit, 可 以 适 应 更 高 速 的 网 络, 它 用 来 唯 一 地 标 识 原 来 的 数 据 报
152 数 据 通 信 与 计 算 机 网 络 技 术 ( 第 二 版 ) 习 题 7 一 选 择 题 1.IPv6 采 用 的 地 址 表 示 格 式 为 ( ) A. 冒 号 十 六 进 制 B. 点 分 十 进 制 C. 冒 号 十 进 制 D. 点 分 十 六 进 制 2.IPv4 地 址 包 含 网 络 号 主 机 号 子 网 掩 码 等 与 之 相 对 应,IPv6 地 址 包 含 了 ( ) A. 前 缀 接 口 标 识 符 前 缀 长 度 B. 网 络 号 主 机 号 前 缀 长 度 C. 前 缀 接 口 标 识 符 网 络 长 度 D. 网 络 号 主 机 号 网 络 长 度 3.IPv6 链 路 - 本 地 地 址 属 于 ( ) A. 广 播 地 址 B. 组 播 地 址 C. 单 播 地 址 D. 任 播 地 址 4.IPv6 站 点 - 本 地 地 址 属 于 ( ) A. 单 播 地 址 B. 广 播 地 址 C. 组 播 地 址 D. 任 播 地 址 5. 下 列 ( ) 是 正 确 的 IPv6 地 址 A.2001:410:0:1:45ff B.2001:410:0:1::45ff C.2001:410:0:1:0:45ff D.2001:410::1:0:0:0:0:45ff 二 简 答 题 1.IPv6 与 IPv4 相 比 发 生 了 哪 些 变 化? 这 些 变 化 对 网 络 的 发 展 将 产 生 怎 样 的 影 响? 2. 将 地 址 0000:0DB8:0000:0000:0008:0800:200C:417A 用 零 压 缩 法 写 成 简 洁 形 式 3.IPv6 数 据 报 是 否 需 要 分 片, 如 果 需 要 是 如 何 实 现 的?