IPv6
概述
IP 是互联网的核心协议。
互联网经过几十年的飞速发展，到 2011 年 2 月，IPv4 的 32 位地址已经耗尽。
ISP 已经不能再申请到新的 IP 地址块了。
我国在 2014 – 2015 年也逐步停止了向新用户和应用分配 IPv4 地址。
更换IPv6的原因：
- 解决 IP 地址耗尽（最主要）
- 改进首部格式
IPv4不能保证服务的质量；
IPv4固定字段太多和可变部分 导致转发速度慢
IPv6 仍支持无连接的传送，但将协议数据单元 PDU 称为分组。为方便起见，本书仍采用数据报这一名词。
具有多个可选扩展首部的 IPv6 数据报的一般形式：
IPv6 数据报由两大部分组成：
- 基本首部 (base header)：
40字节 - 有效载荷/净负荷 (payload)：\(有效载荷=可变部分+数据部分\)
有效载荷允许有零个或多个扩展首部 (extension header)，
基本首部
IPv6 将首部长度变为固定的 40 字节，称为基本首部。
把首部中不必要的功能取消了，使得 IPv6 首部的字段数减少到只有 8 个。
IPv6 对首部中的某些字段进行的具体更改如下：
- 取消了首部长度字段（因为首部长度是固定的 40 字节）
- 取消了服务类型字段
- 取消了总长度字段，改用有效载荷长度字段
- 把 TTL 字段改称为跳数限制字段
- 取消了协议字段，改用下一个首部字段
- 取消了检验和字段；
- 取消了选项字段，而用扩展首部来实现选项功能。
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版本(version)—— 4 位 指明协议的版本，对 IPv6 该字段总是 6。
-
通信量类(traffic class)—— 8 位：区分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(flow label)—— 20 位：所有属于同一个流的数据报都具有同样的流标号。
“流”是互联网络上从特定源点到特定终点的一系列数据报， “流”所经过的路径上的路由器都保证指明的服务质量。 -
有效载荷长度(payload length)—— 16 位
它指明 IPv6 数据报除基本首部以外的字节数（所有扩展首部都算在有效载荷之内），其最大值是 64 KB。 -
下一个首部(next header)—— 8 位：基本首部的下一个首部指的是有效载荷里标记的的扩展首部，有效载荷里的扩展首部再指向有效载荷里标记的的扩展首部，直至最后指向数据。
相当于 IPv4 的协议字段或可选字段。 -
跳数限制(hop limit)—— 8 位：
TTL，源站在数据报发出时即设定跳数限制。路由器在转发数据报时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。 -
源地址—— 128 位：数据报的发送站的 IP 地址。
-
目的地址—— 128 位：数据报的接收站的 IP 地址。
有效载荷（扩展首部）
IPv6 把原来 IPv4 首部中 选项的功能 都放在扩展首部中，并将扩展首部留给路径两端的源站和目的站的主机来处理。
即：IPv6只能在主机分片，而IPv4可有在路由器和主机处分片。
优点： 极大的提高了路由器的处理效率。
在 RFC 2460 中定义了六种扩展首部：
1.逐跳选项；2.路由选择；3.分片
4.鉴别；5.封装安全有效载荷；6.目的站选项
和IPv4对比
所引进的主要变化如下：
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更大的地址空间。
IPv6 将地址从 IPv4 的 32 位 增大到了 128 位。 -
扩展的地址层次结构。
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灵活的首部格式。 IPv6 定义了许多可选的扩展首部。
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改进的选项。 IPv6 允许数据报包含有选项的控制信息，其选项放在有效载荷中。
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允许协议继续扩充 ，从而更好地适配新的应用
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支持即插即用（即自动配置）因此 IPv6 不需要使用 DHCP。
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支持资源的预分配，
IPv6 支持实时视像等要求，保证一定的带宽和时延的应用。 -
IPv6 首部改为 8 字节对齐。
首部长度必须是 8 字节的整数倍。原来的 IPv4 首部是 4 字节对齐。
IPv6 的地址
IPv6 数据报的目的地址有以下三种：
- 单播 (unicast)：传统的点对点通信。
- 多播 (multicast)：一点对多点的通信。
- 任播 (anycast)：
IPv6新增。任播的目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付其中的一个，通常是距离最近的一个。
结点、接口与单播地址
- 结点： 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，一个接口可以有多个单播地址。 其中的任何一个地址都可以当作到达该结点的目的地址。
即一个结点接口的单播地址可用来唯一地标志该结点。
地址表示形式
（一）、冒号十六进制记法 colon hex(colon hexadecimal notation)
在 IPv6 中，每个地址占 128 位，使用点十进制表示法太冗余；为了使地址再稍简洁些，IPv6 使用冒号十六进制记法：
- 每个
16位的值用十六进制值表示，各值之间用冒号分隔。 - 在十六进制记法中，允许把数字前面的 0 省略。例如把 0000 中的前三个 0 省略，写成 1 个 0。
例如：68E6:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:960A:FFFF
（二）、零压缩
冒号十六进制记法可以允许零压缩 (zero compression)，即一连串连续的零可以为一对冒号所取代。
例如FF05:0:0:0:0:0:0: B3 可压缩为：FF05::B3
- 注：在任一地址中只能使用一次零压缩。
如果使用两次及以上零压缩，就不知道压缩了多少位零（压缩一次可以通过 总长度-现有长度计算）
（三）、点分十进制记法的后缀
冒号十六进制记法可结合使用点分十进制记法的后缀，这种结合在 IPv4 向 IPv6 的转换阶段特别有用。
例如：0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 再使用零压缩即可得出： ::128.10.2.1
CIDR 的斜线表示法仍然可用,但是地址掩码废除。
例如：60 位的前缀 12AB00000000CD3 可记为：
12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60
或 12AB::CD30:0:0:0:0/60 （零压缩）
或 12AB:0:0:CD30::/60 （零压缩）
IPv6 地址分类
未指明地址
这是 16 字节的全 0 地址，可缩写为两个冒号“::”。
这个地址只能为还没有配置到一个标准的 IP 地址的主机当作源地址使用。
这类地址仅此一个。
环回地址
即 0:0:0:0:0:0:0:1（记为 ::1）。
作用和 IPv4 的环回地址一样。
这类地址也是仅此一个。
多播地址
功能和 IPv4 的一样，相当于D类地址：224.0.0.0。
这类地址占 IPv6 地址总数的 1/256。
本地链路单播地址 (Link-Local Unicast Address)
相当于IPv4的私有IP：192.168.0.0/16，172.16.0.0/12，10.0.0.0/8
有些单位的网络使用 TCP/IP 协议，但并没有连接到互联网上。连接在这样的网络上的主机都可以使用这种本地地址进行通信，但不能和互联网上的其他主机通信。
这类地址占 IPv6 地址总数 1/1024。
全球单播地址
IPv6 的这一类单播地址是使用得最多的一类。
曾提出过多种方案来进一步划分这 128 位的单播地址。
根据 2006 年发布的草案标准 RFC 4291 的建议， IPv6 单播地址的划分方法非常灵活。
IPv6 单播地址的几种划分方法
IPv4 向 IPv6 过渡
采取方法：
- 逐步演进
- IPv6 系统能够向后兼容
IPv6 系统必须能够接收和转发 IPv4 分组，并且能够为 IPv4 分组选择路由。
两种向 IPv6 过渡的策略：
- 双协议栈：让路由器同时支持IPv4和IPv6，自动选择两个协议。
- 隧道技术 ：封装到支持的数据格式里
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）装有两个协议栈，一个 IPv4 和一个 IPv6。
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双协议栈的主机（或路由器）记为 IPv6/IPv4，表明它同时具有两种 IP 地址：一个 IPv6 地址和一个 IPv4 地址。
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双协议栈主机在和 IPv6 主机通信时是采用 IPv6 地址，而和 IPv4 主机通信时就采用 IPv4 地址。
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根据 DNS 返回的地址类型可以确定使用 IPv4 地址还是 IPv6 地址。
注意：采用双协议栈时，进入IPv4网络再出来后，流标号会丢失。
隧道技术
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在 IPv6 数据报要进入 IPv4 网络时，把 IPv6 数据报封装成为 IPv4 数据报，整个的 IPv6 数据报变成了 IPv4 数据报的数据部分。
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当 IPv4 数据报离开 IPv4 网络中的隧道时，再把数据部分（即原来的 IPv6 数据报）交给主机的 IPv6 协议栈。
注意：采用隧道技术 IPv6报文完整，无损失
