【网络协议详解】——IPv6协议（学习笔记）

🕒 1. IPV6协议

🕘 1.1 主要变化

• 更大的地址空间：IPv6将IPv4的32比特地址空间增大到了128比特，在采用合理编址方法的情况下，在可预见的未来是不会用完的。
• 扩展的地址层次结构：可划分为更多的层次，这样可以更好地反映出因特网的拓扑结构，使得对寻址和路由层次的设计更具有灵活性。
• 灵活的首部格式：与IPv4首部并不兼容。IPv6定义了许多可选的的扩展首部，不仅可提供比IPv4更多的功能，而且还可以提高路由器的处理效率，因为路由器对逐跳扩展首部外的其他扩展首部都不进行处理。
• 改进的选项：IPv6允许分组包含有选项的控制信息，因而可以包含一些新的选项。然而IPv4规定的选项却是固定不变的。
• 允许协议继续扩充：这一点很重要，因为技术总是在不断地发展，而新的应用也会层出不穷。然而IPv4的功能却是固定不变的。
• 支持即插即用（即自动配置）：IPv6支持主机或路由器自动配置IPv6地址及其他网络配置参数。因此IPv6不需要使用DHCP。
• 支持资源的预分配：IPv6能为实时音视频等要求保证一定带宽和时延的应用，提供更好的服务质量保证。
• 最小的MTU变为1280字节

🕘 1.2 IPv6地址

IPv6 将实现 IPv6 的主机和路由器均称为结点。

一个结点就可能有多个与链路相连的接口。

• IPv6 地址是分配给结点上面的接口的。
• 每个IPv6接口都必须有至少一个本地链路单播地址，一个接口可以分配多个任意类型的地址。

🕤 1.2.1 表示方法

IPv6 地址是一个 128 位的二进制数。

• 在IPv6地址的冒号十六进制记法的基础上，再使用**“左侧零”省略和“连续零”压缩**，可使IPv6地址的表示更加简洁。
  • “左侧零”省略是指两个冒号间的十六进制数中最前面的一串0可以省略不写。
  • “连续零”压缩是指一连串连续的0可以用一对冒号取代。
    
• 在一个IPv6地址中只能使用一次“连续零”压缩，否则会导致歧义。
  • 例：$\text{2001:0000:0000:abcd:0000:0000:0000:1234}\to \text{2001:0:0:abcd::1234}$
• 冒号十六进制记法还可结合点分十进制的后缀。这在IPv4向IPv6过渡阶段非常有用。
  
• CIDR的斜线表示法在IPv6中仍然可用。
  • 例：$\text{2001:0db8:0000:cd30:0000:0000:0000:0000/60}\to \text{2001:db8:0:cd30::/60}$

🕤 1.2.2 分类

IPv6数据报的目的地址有三种基本类型：

• 单播地址 (unicast address)：传统的点对点通信。
• 多播地址 (multicast address)：一点对多点的通信。数据报发送到一组计算机中的每一个。IPv6没有采用广播的术语，而将广播看作多播的一个特例。
• 任播地址 (anycast address)：这是 IPv6 增加的一种类型。任播的目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付离发送方最近（由路由协议度量）的一个计算机。

[RFC 4291]对IPv6地址进行了分类：

• 未指明地址
  • 128个比特为“全0”的地址，可缩写为两个冒号“::/128”。
  • 该地址不能用作目的地址，只能用于还没有配置到一个标准IPv6地址的主机用作源地址。
  • 未指明地址仅有一个。
• 环回地址
  • 最低比特为1，其余127个比特为“全0”，即0:0:0:0:0:0:0:1，可缩写为::1/128。
  • 该地址的作用与IPv4的环回地址相同。
  • IPv6的环回地址只有一个。
• 多播地址（组播地址）

  • 最高8比特为“全1”的地址，可记为FF00::/8。
    

    • 标志位字段：最高位保留，设为0；T位为1表示是熟知组播地址；T位为0表示是临时组播地址；P标志表示组播地址的生成方式；R标志用于构成组播RP地址
    • 范围：用来限制组播组的范围。
      $\begin{array}{cc}1& 接口本地范围\\ 2& 链路本地范围\\ 4& 管理本地范围\\ 5& 站点本地范围\\ 8& 机构本地范围\\ E& 全球范围\\ 0、3、F& 保留\\ 6、7、9、A、B、C、D& 未分配\end{array}$
    • 组标识符：指定范围内的组播标识符，分为永久分配和临时分配两种。

  • IPv6多播地址的功能与IPv4多播地址相同。

  • 这类地址占IPv6地址空间的1/256。

• 本地链路单播地址
  • 最高10比特为1111111010的地址，可记为FE80::/10。
    
  • 即使用户网络没有连接到因特网，但仍然可以使用TCP/IP协议。连接在这种网络上的主机都可以使用本地链路单播地址进行通信，但不能和因特网上的其他主机通信。
  • 这类地址占IPv6地址空间的1/1024。
• 全球单播地址
  • 全球单播地址是使用得最多的一类地址。
  • IPv6全球单播地址采用三级结构，这是为了使路由器可以更快地查找路由。
    
    • 全球路由选择前缀：分配给公司和机构，用于因特网中路由器的路由选择，相当于IPv4分类地址中的网络号。
    • 子网标识符：用于各公司和机构构建自己的子网。
    • 接口标识符：用于指明主机或路由器的单个网络接口，相当于IPv4分类地址中的主机号，不需要使用ARP。
  • IPv4地址也可以表示为全局IPv6地址：
    

子网路由任播地址：

• 一个任播地址可以被分配给一组接口，且通常这组接口属于不同节点
• 发往一个任播地址的分组会被路由协议转发给离发送方最近的接口
• 任播接口的地址结构无法与单播地址相区分，包含在单播地址空间（包括本地链路单播地址和全球单播地址）中。
• 当一个单播地址分配给多个接口时，它就是一个任播地址
• 被分配了任播地址的一组主机往往分散在不同网络中，这些网络的最长共同前缀构成一个拓扑区域。
  

🕘 1.3 IPv6数据报的首部

🕤 1.3.1 基本首部

注意：所有的扩展首部并不属于IPv6数据报的首部，它们与其后面的数据部分合起来构成有效载荷（payload，也称为净负荷）。

IPv4 vs IPv6：

IPv6将IPv4数据报首部中不必要的功能取消了，这使得IPv6数据报基本首部中的字段数量减少到只有8个。

但由于IPv6地址的长度扩展到了128比特，因此使得IPv6数据报基本首部的长度反而增大到了40字节，比IPv4数据报首部固定部分的长度（20字节）增大了20字节。

• 取消了首部长度字段，因为IPv6数据报的首部长度是固定的40字节。
• 取消了区分服务（服务类型）字段，因为IPv6数据报首部中的通信量类和流标号字段实现了区分服务字段的功能。
• 取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段。这是因为IPv6数据报的首部长度是固定的40字节，只有其后面的有效载荷长度是可变的。
• 取消了标识、标志和片偏移字段，因为这些功能已包含在IPv6数据报的分片扩展首部中。
• 把生存时间TTL字段改称为跳数限制字段，这样名称与作用更加一致。
• 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，这样可以加快路由器处理IPv6数据报的速度。
• 取消了选项字段，改用扩展首部来实现选项功能。

• 版本字段：长度为4比特，用来表示IP协议的版本。对于IPv6该字段的值是6。
• 通信量类字段（traffic class）：长度为8比特，该字段用来区分不同的IPv6数据报的类别或优先级。目前正在进行不同的通信量类性能的实验。
• 流标号字段（flow label）：长度为20比特。
  • IPv6提出了流的抽象概念。
  • “流”就是因特网上从特定源点到特定终点（单播或多播）的一系列IPv6数据报（如实时音视频数据的传送），而在这个“流”所经过的路径上的所有路由器都保证指明的服务质量。
  • 所有属于同一个流的IPv6数据报都具有同样的流标号。换句话说，流标号用于资源分配。
  • 流标号对于实时音视频数据的传送特别有用，但对于传统的非实时数据，流标号则没有用处，把流标号字段的值置为0即可。
• 有效载荷长度字段（playload length）：长度为16比特，它指明IPv6数据报基本首部后面的有效载荷（包括扩展首部和数据部分）的字节数量。
  • 该字段以字节为单位，最大取值为65535，因此IPv6数据报基本首部后面的有效载荷的最大长度为65535字节。
• 下一个首部字段：长度为8比特。该字段相当于IPv4数据报首部中的协议字段或可选字段。
  • 当IPv6数据报没有扩展首部时，该字段的作用与IPv4的协议字段一样，它的值指出了IPv6数据报基本首部后面的数据是何种协议数据单元PDU。
    • 若为6，则有效载荷部分是TCP报文段；若为17，则有效载荷部分是UDP用户数据报。
  • 当IPv6数据报基本首部后面带有扩展首部时，该字段的值就标识后面第一个扩展首部的类型。
    
• 跳数限制字段：长度为8比特。该字段用来防止IPv6数据报在因特网中永久兜圈。
  • 源点在每个IPv6数据报发出时即设定某个跳数限制（最大255跳）。
  • 每个路由器在转发IPv6数据报时，要先把跳数限制字段中的值减1。当跳数限制的值为0时，就把这个IPv6数据报丢弃（即不转发）。
    • 该字段的作用与IPv4数据报首部中的生存时间TTL字段完全一样。IPv6将名称改为跳数限制后，可使名称与作用更加一致。
• 源地址字段和目的地址字段：长度都为128比特。分别用来填写IPv6数据报的发送端的IPv6地址和接收端的IPv6地址。

🕤 1.3.2 扩展首部

IPv4数据报如果在其首部中使用了选项字段，则在数据报的整个传送路径中的全部路由器，都要对选项字段进行检查，这就降低了路由器处理数据报的速度。

实际上，在路径中的路由器对很多选项是不需要检查的。因此，为了提高路由器对数据包的处理效率，IPv6把原来IPv4首部中的选项字段都放在了扩展首部中，由路径两端的源点和终点的主机来处理，而数据报传送路径中的所有路由器都不处理这些扩展首部（除逐跳选项扩展首部）。

在[RFC 2460]中定义了以下六种扩展首部：

• 每一个扩展首部都由若干个字段组成，它们的长度也各不相同。
• 所有扩展首部中的第一个字段都是8比特的下一个首部字段。该字段的值指出在该扩展首部后面是何种扩展首部。
• 当使用多个扩展首部时，应按以上的先后顺序出现。
• 扩展首部的长度应是8字节的整数倍，以此保证后续首部能在8字节边界处对齐。
• 逐跳选项扩展首部和目的选项扩展首部的选项字段长度可变，可包含多个选项数据。这些选项数据以TLV方式（Type-Length-Value）编码.
  • 选项类型字段：8位
    • 其中高两位指明了不能识别选项类型时应采用的处理方式（00：跳过；01：丢弃；10：丢弃且报告）
    • 第3高位指明该选项数据在传输过程中是否发生变化
    • 后5位是类型代码
  • 选项数据长度：选项数据字段的长度，以字节为单位
  • 选项数据：与选项类型有关

🕞 1.3.2.1 逐跳选项

• 逐跳选项用于在分组中携带需要被传输路径上所有节点处理的信息
• 它必须是第一个扩展首部
• 下一首部字段（8位）：指明紧跟在逐跳选项扩展首部后的下一个首部类型
• 扩展首部长度字段（8位） ：以8字节位单位，不包含第一个8字节
• 选项数据字段：包含多个以TLV方式编码的选项
  

🕞 1.3.2.2 路由扩展选项

• 用于列出分组传输过程中需要访问的节点地址
• 路由类型（8位）：进一步区分路由扩展首部的类型，两种，0/2
• 剩余段数（8位）：指明路由地址列表尚未被访问的地址数
• 指定路由类型数据：依赖于具体的路由类型
  

🕞 1.3.2.3 分片扩展选项

• 路由器发现分组长度大于要转发网络的最大传输分组时，丢弃分组并向源主机发送ICMP分组超大信息，由源主机对IP分组进行分片
• 保留（8位）：置为0
• 片偏移（13位）：指明数据第一个字节对于原始未分片分组数据的偏移值，8字节为单位
• 保留（2位）：置为0
• M标志字段（1位）：1表示有更多分片，0表示是最后一个分片
• 标识符：每个未分片分组的唯一标识符，用于重组时区分分片属于的分组

🕘 1.4 从IPv4向IPv6过渡

因特网上使用IPv4的路由器的数量太大，要让所有路由器都改用IPv6并不能一蹴而就。因此，从IPv4转变到IPv6只能采用逐步演进的办法。

另外，新部署的IPv6系统必须能够向后兼容，也就是IPv6系统必须能够接收和转发IPv4数据报，并且能够为IPv4数据报选择路由。

下面介绍两种由IPv4向IPv6过渡的策略：

🕤 1.4.1 使用双协议栈

• 双协议栈（Dual Stack）是指在完全过渡到IPv6之前，使一部分主机或路由器装有IPv4和IPv6两套协议栈。
• 双协议栈主机或路由器既可以和IPv6系统通信，又可以和IPv4系统通信。
• 双协议栈主机或路由器记为IPv6/IPv4，表明它具有一个IPv6地址和一个IPv4地址。
  • 双协议栈主机在与IPv6主机通信时采用IPv6地址，而与IPv4主机通信时采用IPv4地址。
  • 双协议栈主机在与IPv6主机通信时采用IPv6地址，而与IPv4主机通信时采用IPv4地址。
    • 若DNS返回的是IPv4地址，则双协议栈的源主机就使用IPv4地址；
    • 若DNS返回的是IPv6地址，则双协议栈的源主机就使用IPv6地址。

🕤 1.4.2 使用隧道技术

隧道技术（Tunneling）的核心思想是：

• 当IPv6数据报要进入IPv4网络时，将IPv6数据报重新封装成IPv4数据报，即整个IPv6数据报成为IPv4数据报的数据载荷。
• 封装有IPv6数据报的IPv4数据报在IPv4网络中传输。
• 当IPv4数据报要离开IPv4网络时，再将其数据载荷（即原来的IPv6数据报）取出并转发到IPv6网络。

注：要使双协议栈路由器R4知道IPv4数据报的数据载荷是IPv6数据报，则IPv4数据报首部中协议字段的值必须设置为41。

🕒 2. ICMPv6协议

🕘 2.1 概述

由于IPv6与IPv4一样，都不确保数据报的可靠交付，因此IPv6也需要使用网际控制报文协议ICMP来向发送IPv6数据报的源主机反馈一些差错信息，相应的ICMP版本为ICMPv6。

ICMPv6比ICMPv4要复杂得多，它合并了原来的地址解析协议ARP和网际组管理协议IGMP的功能。因此与IPv6配套使用的网际层协议就只有ICMPv6这一个协议。

🕘 2.2 封装

ICMPv6报文需要封装成IPv6数据报进行发送：

🕘 2.3 分类

ICMPv6报文可被用来报告差错、获取信息、探测邻站或管理多播通信。

在对ICMPv6报文进行分类时，不同的RFC文档使用了不同的策略：

• 在[RFC 2463]中定义了六种类型的ICMPv6报文
• 在[RFC 2461]中定义了五种类型的ICMPv6报文
• 在[RFC 2710]中定义了三种类型的ICMPv6报文

常用的几种ICMPv6报文：

🕘 2.4 格式

ICMPv6的消息格式与ICMPv4类似，

• 类型：区分不同的ICMP消息类别
• 代码：用于进一步区分同一消息类别下的不同情形
• 校验和：用于从类型字段开始的ICMP报文进行检验

ICMP 报文分为两种：

🕤 2.4.1 差错报文（类型：0-127）

🕞 2.4.1.1 目的不可达

当路由器无法继续转发分组，或目的主机无法将分组交付给承载数据的处理协议时，将向源端发送目的不可达报文（destination unreachable message）。类型字段为1

🕞 2.4.1.2 分组超大消息

当路由器转发的分组长度大于链路MTU时，路由器将向源主机发送分组超大消息。

• 类型：2
• 代码：0
• MTU：下一跳链路最大传输单元字节数。

🕞 2.4.1.3 超时

超时报文（time exceeded message）用于向源端报告分组无法按期到达目的主机，包括：

• 路由器转发分组时对其 TTL 字段值减 1，结果为 0（代码为0）：
  • 丢弃分组，并向源主机发送 ICMP 超时报文。
• 目的主机重组分片超时（60s）（代码为1）：
  • 放弃重组，并向源主机发送 ICMP 超时报文。
  • 只有在接收到第一个分片的情况下才发送超时报文.

超时报文的格式：与目的不可达报文相同。类型为3，代码为0或1.

🕞 2.4.1.4 参数错误

路由器或主机处理 IP 分组时，若发现首部或者扩展首部参数错误而无法继续处理，将丢弃分组，并向源主机发送参数错误报文（parameter problem message）。

• 类型：4
• 指针：指向源IP分组中的错误参数位置

🕤 2.4.2 信息报文（类型：128-255）

🕞 2.4.2.1 回送请求/响应

回送请求/回送响应报文（Echo request/Echo reply message）常用于测试目的地址是否可达及其相关状态。

• 类型：128/129
• 代码：0

🕤 2.4.3 不发送ICMPv6消息的情况

• ICMPv6分组错误
• ICMPv6重定向消息
• 目的地址是组播地址、链路组播地址、链路多播地址等的分组（两个例外：超大错误消息；参数错误消息）

🕒 3. 实验：IPv6配置

题目：本实验模拟企业网络场景，公司局域网内，IT部门的两台PC机想使用ipv6地址实现互通，我们在网络中用环回口loopback0模拟这两个PC机。

配置R1：
（1）开启路由器的IPv6路由功能

R1(config)#ipv6 unicast-routing

（2）给端口f0/0配置IPv6地址

R1(config)#interface f0/0
R1(config-if)#ipv6 address 2001:9267:12::1/64
R1(config-if)#no shutdown

（3）配置环回口

R1(config)#interface loopback 0
R1(config-if)#ipv6 address 2001:9267:1:1::1/64
R1(config-if)#no shutdown

（4）开启端口的rip协议

R1(config)#interface f0/0
R1(config-if)#ipv6 rip process1 enable
R1(config)#interface loopback0
R1(config-if)#ipv6 rip process1 enable

配置R2：
（1）开启路由器的IPv6路由功能

R2(config)#ipv6 unicast-routing

（2）给端口f0/0配置IPv6地址

R2(config)#interface f0/0
R2(config-if)#ipv6 address 2001:9267:12::2/64
R2(config-if)#no shutdown

（3）配置环回口

R2(config)#interface loopback 0
R2(config-if)#ipv6 address 2001:9267:2:2::2/64
R2(config-if)#no shutdown

（4）开启端口的rip协议

R2(config)#interface f0/0
R2(config-if)#ipv6 rip process1 enable
R2(config)#interface loopback 0
R2(config-if)#ipv6 rip process1 enable

测试链路连通性：

R1#ping 2001:9267:2:2::2 source 2001:9267:1:1::1

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作者：HinsCoder
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