【2017年整理】IPv6技术地址

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1、IPv6 技术摘 要：针对 IPv4 目前所面临的地址空间危机、性能问题、安全性问题、自动配置问题等问题，提出了下一代互联网协议 IPv6，该协议采用扩充地址长度、变更报头格式、自动配置、更改地址分配方法等手段，主要解决了 IPv4 地址空间不足的问题，同时改善了网络性能、提高了安全性，也提高了易管理性。关键词：IPv6，互联网协议，IP 地址。1. 引言由于 Internet 的迅速发展、网络用户的持续增加以及人们对互联网应用要求的日益提高 ，IPv4 技术在地址空间和安全性等问题上暴露出一系列问题，比如地址空间耗尽、性能问题、安全性问题、自动配置问题等难题。互联网协议 IPv4 (Inte

2、ract Protocol Version 4) 的地址空间已于 2011 年 2 月全部分配完毕， IPv4 的局限性越来越明显，因而难以满足如今互联网技术发展的需要 1。因此提出了下一代互联网协议 IPv6 (Interact Protocol Version 6)， IPv6 技术则有效扩大了 IP 地址的空间，增强了地址自动配置功能，提供了有保证的服务质量并提高了安全性，解决了当前互联网技术发展所面临的危机。本文主要针对 IPv6 技术如何有效扩大 IP 地址的空间，防止类似 IPv4 地址空间耗尽的问题，作简单的分析探讨。2. IPv6 协议标准架构IPv6 标准主要分为 5 类，即

3、资源类、网络类、应用类、安全类、过渡类(见图 1)。(1)资源类:是区分 IPv6 与 IPv4 的核心标准，主要包括编址技术标准及域名技术标准。(2)网络类:涉及 IPv6 网络层技术的标准，主要包括路由技术标准及移动 IPv6 标准。(3)应用类:IPv6 技术应用于移动互联网、物联网等应用时所需遵循的标准规范。(4)过渡类:从 IPv4 向 IPv6 过渡过程中涉及的技术标准。(5)安全类:涉及到 IPv6 安全的相关标准。过 应用类 安网络类渡类资源类全类图 1 IPv6 标准架构3. IPv6 协议特点(1)IPv6 地址长度为 128 比特，地址空间增大了 296倍。按保守方法估算

4、 IPv6 实际可分配的地址，整个地球的每平方米面积上仍可分配 1000 多个地址。这样几乎可以不受限制地提供 IP 地址，从而确保了端到端连接的可能性 2； (2)灵活的 IP 报文头部格式。使用一系列固定格式的扩展头部取代了 IPv4 中可变长度的选项字段。IPv6 中选项部分的出现方式也有所变化，使路由器可以简单路过选项而不做任何处理，加快了报文处理速度；(3)IPv6 简化了报文头部格式，字段只有 7 个，加快报文转发，提高了吞吐量；(4)提高安全性。身份认证和隐私权是 IPv6 的关键特性；(5)支持更多的服务类型；(6)允许协议继续演变，增加新的功能，使之适应未来技术的发展 3。4

5、. IPv6 地址4.1. 地址概述IPv6 技术的要目的之一就是解决 IPv4 地址短缺问题。IPv6 汲取了 IPv4 地址资源不足的教训，将地址长度扩大至 IPv4 地址的 4 倍，即由 32 比特扩展至 128 比特。毫不夸张的说，如果将这些 IPv6 地址平均分配在地球表面，地球上的每一平方米即可获得儿百万个IPv6 地址，甚至每一粒沙子都可以获得一个 IPv6 地址。所有 IPv4 地址只相当于 IPv6 地址中一个/32 地址块的地址容量，由此，IPv6 地址容量将是 IPv4 地址容量的 96 倍。相比于 IPv4 地址中将地址分为 A-E 类，A-C 类为单播地址（使用 VL

6、SM 后已无差别），D 类为组播地址，E 类保留，IPv6 地址定义了地址的两部分（见表 1 ） ，分别为前缀和接口标识 ，分 别 为 64 比特长度。其中，前缀部分将用于区分单播地址与组播地址、各个子网以及各类特殊用途 IPv6 地址；接口标识通常由接口的物理地址生成，成为 64 位扩展惟一标识（EUI-64） 。 同时，为解决服务器提供服务的规模性问题，IPv6 定义了专用于任意播的任意播地址类型。表 1 IPv6 地址结构64 bit 64 bit前缀 接口标识4.2. 地址详解IPv6 地址是为接口或一组接口分配的一个 128 比特标示符。 IPv6 地址有单播地址（Unicast）

7、、任意播地址（Anycast）和组播地址（Multicast）3 类。所有类型的 IPv6 地址都分配给接口而不是节点。IPv6 单播地址与单个接口对应。 由于每个接口都属于一个单一节点，所以节点的任何一个接口的单播地址可以当作该节点的一个标示符。 所有的接口都需要至少一个链路本地单播地址 （Link Local Unicast Address） 。 单个接口可以同时被分配任何类型或范围的多个 IPv6 地址。4.2.1. 单播地址详解 单播地址（Unicast Address）是指分配给单个接口的标识符，目的地址是一个单播地址的数据包被发送到该地址所标识的接口。IPv6 单播地址可分为全球单

8、播地址 （Global Unicast Address）以及专用地址（SpecialUsed Address） 。全球单播地址：IETFRFC2374 提出了 “可聚合全球单播地址”概念，规定了以“TLA/NLA”为主要结构的地址分配结构，并规定“全球可聚合单播地址”为以“001”开始的地址空间 2000：/3。根据 IETFRFC3587， “可聚合全球单播地址概念”将由“全球单播地址”概念所取代（见表 2） ，地址结构将更改为 “全球路由前缀 / 子网标识 / 接口标识” ，同时，地址空间也将不限于 2000：/3，而是还将包括从以“001”至“111”开始的单播地址。表 2 全球单播地址

9、结构nbit mbit 128-m-nbit全球路由前缀 子网标识 接口标识特别地，如果接口标识部分采取 EUI-64 格式，IPv6 全球单播地址的格式如表 3 所示。表 3 接口标识采用 EUI-64 格式 IPv6 全球单播地址结构nbit 64-nbit 64-bit全球路由前缀 子网标识 接口标识专用单播地址： 除全球单播地址外，IPv6 单播地址中还包含部分具有特定用途及特定使用范围的特殊 IPv6 地址。 例如，单播本地地址、节点内单播地址，链路本地地址，6to4 地址以及 6bone 地址等。为避免造成路由冲突，专用单播地址的分配与使用必须严格按照规定使用范围使用。4.2.2.

10、 组播地址详解组播地址（Multicast Address）是指分配给一组接口的地址，该组接口可以属于不同的节点，目标地址是组播地址的数据包被发送到所有该地址标识的接口。IPv6 组播地址结构如表 4 所示，其中，高 8 位的全 1 位是组播地址的标识，将其与其他类型地址（单播地址）相区别。 “flags”的格式如表 5 所示：表 4 组播地址结构8 4 4 80 3211111111 Flags Scope Reserved Group ID表 5 Flags 字段格式0 R P T当 T=0， 该地址为永久分配组播地址（由 LANA 所分配） 。当 T=l， 该地址为非永久分配组播地址（临

11、时的或动态的组播地址） 。当 P=0， 表明该地址是未使用基于网络前缀构造的地址，即普通的 IPv6 组播地址。当 P=l，表明该组播地址是基于网络前缀而构造，此时，T 位也必须置为 1。“Scope”字段取值范围为 0F，除表 6 中所示取值及 0，3，F 为保留值，其余全部有待未来指定。组播地址从分配方式上可分为永久分配地址及动态分配地址。 永久分配地址由 LANA 定义并分配，动态分配地址则由服务器或终端生成并分配。组播地址从功能上可分为普通组播地址与专用组播地址。专用组播地址包括基于单播地址前缀的 IPv6 组播地址以及预定义组播地址。组播地址不能作为 IP 数据包的源地址，同时也不能

12、出现在路由包头中。 路由器不能将组播数据包转发至超出组播地址 Scope 字段所规定的范围的目的地址。 组播组中各节点不应发出目的地址是 Scope 值为 0 的组播地址的数据包，组播源一旦收到该数据包应直接丢弃；组播组中各节点发送或接收目的地址为 Scope 值为 0 的组播地址的数据包， 应将该数据包与目的地址为 Scope 值为 E 的组播地址的数据包等同处理。4.2.3. 任意播地址详解任意播地址（Anycast Address）是指分配给一组接口的地址，该组接口可以属于不同的节点，以任意播地址为目的地址的数据包会被转发到根据路由协议测量的距离最短的一个接口上。在 IPv6 中，任意播

13、地址与全球单播地址共享地址空间，因此，在对全球单播地址进行分配时，应避让在任意播地址范畴内使用预定义的 bit。由于任意播地址是一种新型的网络地址形式，具有广泛的应用前景。 但也考虑到其可能带来的危险性，在现阶段针对任意播地址做了一些限制：任意播地址不能配置给任何一台 IPv6 主机，只允许配置于某台 IPv6 路由器的某个接口。 因此，后文中所表述的任意播地址也就是指一般意义上的子网路由器任意播地址。 对于任何已分配的单播地址，有一个最长的地址前缀 P 用于标识拓扑地区。 该地址前缀表示了属于同一任意播地址的所有接口所在的拓扑区域。 在这个区域中，任意播地址的每个成员必须作为一个单独的个体在

14、路由系统中进行广播，而在该区域外，该任意播地址必须以地址前缀 P 而聚合到路由广播中去。任意播地址只能用作 IPv6 数据包的目的地址，不能用作源地址。 同时，在通常情况下， 任意播地址只能分配给路由器， 服务器在路由器上注册其能够提供某种任意播服务。为了找到合适的服务器，主机或路由器就要借助子网任意播路由器中的任意播小组成员信息表来找到拥有某任意播地址的路由器。4.2.4. 专用地址详解IPv6 专用地址将包括已在 IANA 特殊用途 IPv6 地址注册处 (IANA Special-Purpose IPv6 Address Registry)公布的专用 IPv6 地址及地址段，同时还将囊括

15、三类地址中的特殊地址分类。 专用地址较普通三类地址，其特殊性主要体现于地址前缀、地址结构及使用范围三个方面，在针对特殊用途地址的分配及使用过程需严格按照上述三方面进行。分为单播专用地址、组播专用地址和任意播专用地址。4.3. 地址总结新的地址大小是 IPv6 最显著的变化。IPv6 把 IPv4 的 32 比特地址增大到了 128 比特，地址空间是 IPv4 的 296倍，使用冒号十六进制表示，即每个 16 比特的量用十六进制值表示， 各量之间用冒号分隔。此外，冒号十六进制表示还包含两个技术使它尤其有用：首先，这种表示允许零压缩，即连续的一串零可以为一对冒号所取代；其次，冒号十六进制表示可以结

16、合点分十进制表示的后缀。IPv6 地址有 128 位长，地址被赋给在节点上的具体接口， 而不是节点本身， 单个接口可以具有多重唯一的单播地址。跟一个节点的接口相关的单播地址中的任意一个都可以用来唯一地标识该节点。IPv6 的巨大的地址空间允许具有一种多级的体系或多个体系等级，可被分成许多块。图 1 示例是一个由网络接入者提供所指派的 IPv6 地址的体系。地址自动配置是作为 IPv6 规范的一部分定义的一个功能，它使得一个主机能够自动地为每个接口配置一个或多个地址。这个功能的目标是支持即插即用的特征，允许一个用户把一台主机连到一个子网， 在没有用户干预的情况下自动地把 IPv6 地址分配给它的接口。5. IPv6 的应用前景分析在移动网络、物联网络等新网络技术与互联网技术发展口趋紧密的今天，IPv6 技术以其几乎无限的地址空间优势，将成为未来网络标识的不二选择，同时也将为未来互联网的发展拓展出广阔的空间。我国各网络运营机构及 IP 地址管理部门应通过不断加深对于三类IPv6 地址及各专用 IPv6 地址的结