计算机网络：网络层 - IPv6

IPv6 是互联网协议的最新版本，它被设计用来取代现有的 IPv4 协议。这是因为 IPv4 存在一些根本性的限制，而 IPv6 则可以解决这些问题。

最典型的问题就是地址空间不足， IPv4 只有大约 43 亿个可用的 IP 地址，而随着互联网的快速发展，这一数量已经远远不够。而IPv6有340282366920938463463374607431768211456个地址，你已经看到眼花了吧，这里也就是 $2^{128}$ 个地址，也说明IPv6的地址有128位，这个数据几乎接近于无穷，估计未来上百年都不会用完这么多地址。

IPv6 数据报

IPv6数据报格式如下：

IPv6数据报分为两部分：基本首部和有效载荷。

• 基本首部：长度为固定的40 byte，携带数据报的基本信息
• 有效载荷：该部分包含了数据报真正的数据部分和任意数量的扩展首部

接下来我从前往后依次讲解每个字段的功能。

版本：

占4 bit，指明了IP协议的版本，IPv6中版本号就是6。

通信量类：

占8 bit，为了区分不同数据报的优先级。范围为 0 - 7，0 代表最低优先级，7 代表最高优先级。

流标号：

占20 bit，流标号字段用于标识来自同一数据流的不同数据报，并允许网络设备对它们进行优先处理。

所谓的流，就是一个源点到一个终点的一系列数据报，它们有共同的流标号。

有效载荷长度：

占16 bit，指明有效载荷部分所占的字节数。最大值是65535。

下一个首部：

占8 bit，这个部分相当于IPv4的可选字段，用于对IPv6的首部进行拓展。

其有两种情况：

1. 如果该数据报没有扩展首部，那么该字段指明有效载荷中的高层协议类型。比如有效载荷为TCP数据报时，该字段值为6；为UDP数据报时，该字段值为17。
2. 如果该数据报有扩展首部，该字段指向的是第一个扩展首部类型。

比如以下可以扩展的首部：

• 路由头部 ：用于指定数据包的路由路径。
• 分片头部 ：用于将数据包分割成多个片段，以便在网络中传输。
• 鉴别头部 ：用于对数据包进行身份验证。
• 封装安全负载头部：用于对数据包进行加密。

跳数限制：
占8 bit，用于限制数据报的传输次数，相当于IPv4中的TTL。每当路由器转发一次数据报，跳数限制就减一，当为0时，路由器就会丢弃该报文。

可以看到，相比于IPv4数据报，IPv6数据报的设计更加简单。

主要来说，IPv6数据报对IPv4数据报的首部做了以下更改：

1. 取消首部长度字段
2. 取消服务类型字段
3. 取消总长度字段，改用有效载荷长度字段
4. 取消TTL字段，改用跳数限制字段
5. 取消协议字段，改用下一个首部字段
6. 取消首部检验和字段
7. 取消选项字段，改用扩展首部来实现扩展功能

可以看到，IPv6几乎一直在做减法，从而使数据报更加简洁。

剩下的就是源地址和目的地址了，因为IPv6数据报的地址长度为128，所以这两个字段长度也是128 bit，接下来我们就来看看IPv6地址。

IPv6 地址

冒号十六进制记法

由于地址要占128位，如果用之前的点分十进制表示这个地址，就会很长。因此IPv6用冒号十六进制的方法来记录一个IPv6地址。

其基本记法为：每16位二进制分为一组，用4个十六进制表示，各组之间用冒号分隔。

比如下面这个地址：

68E6:8C64:00FF:FFFF:0000:1180:960A:FFFF

最后一个地址就被分为了8个组。

以上只是基本记录方法，冒号十六进制记法还允许对满足特定要求的地址进行缩写。

一个组内部，如果0前面没有数字，且后面有数字，那么这个0可以省略。

比如刚刚的地址：

68E6:8C64:00FF:FFFF:0000:1180:960A:FFFF

第三组00FF，由于00都在数字F前面，可以将其省略为FF；第五组0000，前三个0可以被省略，最后表示为0；

但是比如说960A这个组，由于这个0前面有数字，所以不能省略。

最后这个地址就写为：

68E6:8C64:FF:FFFF:0:1180:960A:FFFF

确实简短了一些。

零压缩：一串连续的0可以被压缩为一对冒号::

比如地址：

FF05:0:0:0:0:0:0:B3 

中间连续的六组0000，可以被压缩为一对冒号::，最后地址就变成了：

FF05::B3

因为一个IPv6数据报被分为了8组，上面这个地址只有两组，中间用一对冒号，说明中间剩下的6组都是0000。

但是要注意：一个地址只能进行一次零压缩。

因为如果进行了多次零压缩，就不能确定一个地址了。

比如这个地址：

FF05::B3::9FFF

这个地址只有三个组，说明有五个组都是0000，请问FF05::B3有几组，B3::9FFF中间又有几组呢？

可以看到，这是不确定的，所以当进行多次零压缩，就无法确定一个地址了。

兼容IPv4地址：

由于IPv4地址采用点分十进制，如果想要在点分十进制与冒号十六进制之间转换，还是有点麻烦的。因此如果冒号十六进制内部的地址是一个IPv4地址，可以采用点分十进制作为地址后缀。

比如一个IPv4地址128.10.2.1，在IPv6中其实就只占用了最后两个分组，前六个分组都是0000。于是我们可以这样表示：

0:0:0:0:0:0:128.10.2.1

前半部分是冒号十六进制，最后两个分组是点分十进制。我们可以再进行一次零压缩，此时就变成了：

::128.10.2.1

通过这种方式，我们就可以很快把一个IPv4地址转化为IPv6地址了。

不过要注意：IPv4地址一定可以转化为IPv6地址，但是IPv6地址不一定可以转化为IPv4地址。

结合CIDR：

IPv6地址也可以使用CIDR来划分网络前缀与主机号，和IPv4是相同的。

比如一个网络的60位网络前缀为：

12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000

其可以表示为以下三种方式：

12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60
12AB::CD30:0000:0000:0000:0000/60
12AB:0000:0000:CD30::/60

第二种和第三种方式其实就是进行了一次零压缩，不过压缩了不同的部分。

地址分类

接下来我们看看特殊的IPv6地址：

除了这些地址，剩下的都是全球单播地址。

一个IPv6数据报，有以下三种传输方式：

1. 单播：即点对点通信
2. 多播：一对多的通信，IPv6将广播视为一种多播
3. 任播：IPv6增加的一种类型，任播的终点是一组主机，但是只有一个主机会受到数据报，也就是“传播给这一组内部的任意一个计算机”，所以叫任播。一般来说是传递给距离最近的一个。

IPv4 到 IPv6 过渡

推行IPv6不是一蹴而就的，只能慢慢逐步演进，让IPv6慢慢地替代IPv4。由于目前主流的数据报还是IPv4，所以IPv6数据报想要在网络中传输，就必须兼容IPv4。主要有两种方法：双栈协议和隧道技术

双栈协议

双栈协议的运行过程可以概括为：

1. 地址绑定： 设备同时拥有 IPv4 和 IPv6 地址。
2. 协议选择： 设备根据需要选择使用 IPv4 还是 IPv6 协议进行通信。
3. 数据包封装： 根据选择的协议，数据包被封装成相应的协议格式。

上图中，路由器B和路由器E就是两个支持双栈协议的设备，当主机A要给主机F发送IPv6数据报时，由于要经过IPv4网络。路由器B会把IPv6数据报按照一定格式转化为IPv4数据报，随后在IPv4网络中传输。当路由器E接收到该数据报后，再将其转化成IPv6数据报。这样就可以完成IPv6数据报在IPv4网络中的传输。

双栈协议通过同时使用 IPv4 和 IPv6 协议，确保设备能够与现有网络和设备进行通信，并为未来 IPv6 时代做好准备。它通过灵活选择协议，提高通信效率，并确保与现有网络的兼容性。

双栈协议的优缺点：

• 优点：效率高
• 缺点：由于会发生IPv4与IPv6数据报的格式转化，有可能会造成损失

隧道技术

隧道技术是一种在现有网络基础上建立虚拟网络连接的技术。它通过将一种网络协议的数据包封装在另一种网络协议的数据包中，实现跨越不同网络环境的通信。

相比于双栈协议，隧道技术不是直接把IPv6转化为IPv4，而是把IPv6数据报作为数据，封装在IPv4内部。这样就可以通过IPv4传输了。

隧道技术的优缺点如下：

• 优点：这个过程不会修改原始的数据报，是无损的
• 缺点：由于进行额外封装，整个数据报变大，效率降低