背景
以IPv4為核心技術的Internet獲得巨大成功，但隨著網絡技術的飛速發展，IPv4地址資源的枯竭,以及其固有的局限性無法滿足網絡發展的需求，也帶來了一些問題，比如現有的IPv4地址匱乏、服務保障問題等。而IPv6可以有效的改善這些問題，由IPv4向IPv6的升級過渡將成為互聯網發展的趨勢。
IPv4發展的瓶頸
在Internet快速發展的過程中，IPv4協議在設計時存在的局限性凸顯出來：
• IP地址空間的局限性
IPv4的地址位數為32位，可使用的IP地址數量約43億個，全球公網 IPv4 地址已于2011年2月分配完畢；
• 骨干路由器維護的路由表表項數量過大
由于IPv4發展初期的分配規劃問題，許多IPv4地址塊分配不連續，不能有效聚合路由。目前全球IPv4 BGP路由表仍不斷增長，即使經過CIDR聚合（Classless Inter-Domain Routing，無類別域間路由），也有70萬條左右，日益龐大的路由表耗用內存較多，對設備成本和轉發效率都有一定的影響；
• IPv4網絡中主機終端配置復雜
在將主機節點接入網絡時一般需要專業人員的指導和幫助，需要對網絡節點設置IP地址、子網掩碼、網關地址等，而用戶更喜歡“即插即用”；
• 缺乏對安全的支持
TCP/IP協議起初是面向軍方網絡的，認為使用者都是可靠的，沒有考慮到網絡安全問題。而用于保障IP數據傳輸安全的IPSec（Internet Protocol Security,因特網協議安全性）僅作為IPv4協議的一個可選項，并不是它的組成部分；
• 缺乏對QoS（Quality of Service，服務質量）的支持
IPv4網絡提供盡力交付的服務，不提供服務質量保證，如帶寬、時延、誤碼率和抖動等。因此，IPv4不能滿足日益增長的業務類型對QoS的需求。
IPv4協議發展已經遇到了瓶頸，面對如此多的限制，需要一個新的IP協議來替換現有的IPv4，這個協議就是IPv6，IPv6的研究和應用迫在眉睫。
IPv6的優勢
為了解決IPv4中一些不可調和的問題，IPv6應運而生。1998年國際互聯網工程任務組（The Internet Engineering Task Force，簡稱IETF）發布了IPv6協議標準RFC2460,之后還有多次更新RFC（Request For Comments，是一系列以編號排定的文件。文件收集了有關互聯網相關信息，以及UNIX和互聯網社區的軟件文件），包括:RFC 5095、RFC 5722、RFC 5871、RFC 6437、 RFC 6564、RFC 6935、RFC 6946、RFC 7045、RFC 7112。IPv6 終于在2017年7月14日正式完成標準化—— RFC8200。
IPv6具有如下優勢：
• IPv6有128位地址結構，能夠提供充足的地址空間。號稱能夠為地球上的每一粒沙子分配一個IP地址；
• 分層聚合，提高了路由效率。IPv6可提供遠大于IPv4的網絡前綴，同一組織機構在其網絡中可以只使用一個前綴。對于ISP，則可獲得更大的地址空間。這樣ISP可以把所有客戶聚合形成一個前綴并發布出去。分層聚合使全局路由表項數量很少，轉發效率更高；
• IPv6具有自動將IP地址分配給用戶的功能，實現了即插即用的聯網方式；
• 安全性更高。IPSec是IPv6的重要組成部分，通過AH(Authentication Header, 認證頭)、ESP(Encapsulating Security Payload, 封裝安全載荷)擴展首部實現IPv6網絡高安全性；
• 提供服務質量支持。IPv6新增的流標簽，可以允許網絡用戶對通信質量提出要求。
IPv6地址
IPv6地址表示方法
IPv6地址總共有128位，使用十六進制進行表示，分為8段，中間用“:”隔開，如2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff
IPv6地址的縮寫：
以2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff為例
• 每段的前導0可以省略，但至少留1個0
2001:410:0:1:0:0:0:45ff
• 連續多個0可以縮寫為“::”，但只能使用1次
2001:410:0:1::45ff
IPv6地址結構
IPv6地址分為兩部分，如圖1所示：
• 網絡前綴，相當于IPv4中的網絡ID
• 接口標識，相當于IPv4中的主機ID
▲圖1:IPv6地址結構
接口標識生成方法：
• 手工配置
• 系統通過軟件自動生成
• IEEE EUI-64規范自動生成
接口標識可以根據IEEE EUI-64規范將MAC地址（48bit）轉化為接口ID。
這種方式優點有：
• MAC地址的獨特性保證了接口ID的獨特性；
• 設備自動生成，不需人為干預。
如圖2所示，某設備接口以太網MAC地址為00-E0-4C-68-10-18，通過EUI-64自動生成IPv6的接口ID。
• 步驟1：在MAC地址的高24位廠商ID和低24位廠商編號ID之間插入兩個字節FFFE
• 步驟2：將U/L位取反，此處0置為1
注：U/L 位是第一個字節的第七位，用于確定該地址是全球管理還是本地管理。如果為0就為全球管理，表示全球唯一地址；為1就為本地管理，表示本地唯一地址，是網絡管理員為了加強自己對網絡管理而指定的地址
▲圖2：EUI-64地址生成方式
IPv6地址分類
IPv6中沒有廣播地址，增加了任播地址，即IPv6地址被分為：單播地址、組播地址、任播地址。
• 單播地址
標識一個接口，目的是單播地址的報文會被送到被標識的接口。
主要有三大類：
1、可聚合的全局單播地址（Aggregatable global unicast address)
• 可在全球范圍內路由和到達的，相當于IPv4的公網地址；
• 前三個bit是001，例如：2000::1:2345:6789:abcd（一般看到2與3開頭的IPv6地址都是全局單播地址）。
2、鏈路本地地址（Link-Local Address）
• 用于同一個鏈路上的相鄰節點之間通信，相當于IPv4里面的169.254.0.0/16地址；
• IPv6的路由器不會轉發鏈路本地地址的數據包；
• 前10個bit是1111 1110 10，由于終末是64bit的接口ID，所以它的前綴總是FE80::/64；
• 鏈路本地地址一般是自動生成的。
3、獨特本地單播地址（Unique Local Address）
• 獨特本地地址的作用類似于IPv4中的私網地址，只能在本地網絡內部被路由轉發而不會在全球網絡中被路由轉發；
• 獨特本地地址前綴FC00::/7。
組播地址
標識多個接口，目的是組播地址的報文會被送到被標識的所有接口。IPv6常用組播地址如表1所示：
▲表1:IPv6常用組播地址
在 IPv6 組播地址中，還有一種特別的組播地址，叫做 Solicited-node 地址(被請求節點組播地址)。Solicited-node 地址是一種特殊用途的地址，主要用于DAD（Duplicate Address Detection，重復地址檢測）替代 IPv4 中的 ARP。
Solicited-node 地址由前綴 FF02::1:FF00:0/104和IPv6單播地址的后24 位組成。如圖3所示：
▲圖3：Solicited-Node組播地址生成過程
任播地址
標識多個接口，目的是任播地址的報文會被送到被標識的最近的接口，最近的接口是由路由協議來定義的。實際上任播地址與單播地址使用同一個地址空間，也就是說，由路由器決定數據包是做任播轉發還是單播轉發。
IPv6報文格式
IPv6數據包由一個IPv6報頭、零或多個擴展報頭和一個上層協議數據單元組成。
IPv6基本報頭
每一個IPv6數據包都要包含報頭，其長度固定為40bytes，包含該報文的基本信息。報頭格式如圖4所示：
▲圖4:IPv6報頭格式
IPv4報頭格式如圖5所示：
▲圖5:IPv4報頭格式
與IPv4報頭相比，IPv6報頭結構的提升：
• 基本的IPv4報頭長度為20個字節，基本的IPv6報頭長度為40個字節；
• 由于2層與4層的校驗已經足夠健壯，取消了IP的三層校驗；
• 取消中間節點的分片功能，分片重組功能由源端實現，通過Path MTU機制來發現路徑MTU。即，源節點在正式發送數據之前，使用ICMPv6來檢測路徑上最小的MTU；
• 增加流標簽，提高QoS效率。
IPv6擴展報頭
IPv6擴展報頭是可選報頭，一個IPv6數據包中可能存在零個或多個擴展報頭，這些擴展報頭可以具有不同的長度。IPv6擴展報頭代替了IPv4的選項字段。IPv6擴展報頭如圖6所示。
▲圖6:IPv6擴展報頭
在IPv4中，IPv4報頭包含可選字段Options，內容涉及安全、時間戳、記錄路由等，這些Options可以將IPv4報頭長度從20字節擴充到60字節。在轉發過程中，處理攜帶這些Options的IPv4報文會占用路由器很大的資源，因此實際中也很少使用。
IPv6將這些Options從IPv6基本報頭中剝離，放到了擴展報頭中，擴展報頭被置于IPv6報頭和上層協議數據單元之間。基于這種設計，IPv6頭部固定為40字節，擴展頭部僅在需要時添加。通常情況下，擴展頭部僅由終端主機處理，IPv6的格式特點一定程度上降低了對路由器性能的要求。
當使用多個擴展報頭時，IPv6報頭中的“下一報頭”字段指明下一個擴展報頭的類型，這樣就形成了鏈狀的報頭列表，如圖7所示。
▲圖7:IPv6包的擴展報頭示例
總 結
在IPv6網絡迅速推廣、日益引起人們重視的今天，人們要問的是，IPv6網絡還有多遠？其實IPv6技術正在或已經融入了生活。銳捷網絡的主流產品，包括交換機、路由器、無線、網關等均支持IPv6協議，產品大量應用在互聯網、新零售、教育、醫療、交通、能源等各個行業。
本文章僅對IPv6的地址及報文格式做基礎說明，更多IPv6相關技術講解，敬請期待《技術盛宴》后續的IPv6系列文章。
本期作者：楊萬里
銳捷網絡互聯網系統部行業咨詢
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