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网际协议第 6 版(英语:Internet Protocol version 6,缩写:IPv6)是网际协议的最新版本,用作互联网的协议。用它来取代 IPv4 主要是为了解决 IPv4 地址枯竭问题,同时它也在其他方面对于 IPv4 有许多改进。
IPv6 的设计目的是取代 IPv4,然而长期以来 IPv4 在互联网流量中仍占据主要地位,IPv6 的使用增长缓慢。在 2022 年 4 月,通过 IPv6 使用 Google 服务的用户百分率首次超过 40%[1]

背景与目标

现今的互联网络发展蓬勃,截至 2018 年 1 月,全球上网人数已达 40.21 亿,IPv4 仅能提供约 42.9 亿个 IP 位置。虽然目前的网络地址转换无类别域间路由等技术可延缓网络位置匮乏之现象,但为求解决根本问题,从 1990 年开始,互联网工程工作小组开始规划 IPv4 的下一代协议,除要解决即将遇到的 IP 地址短缺问题外,还要发展更多的扩展,为此 IETF 小组创建 IPng,以让后续工作顺利进行。1994 年,各 IPng 领域的代表们于多伦多举办的 IETF 会议中,正式提议 IPv6 发展计划,该提议直到同年的 11 月 17 日才被认可,并于 1996 年 8 月 10 日成为 IETF 的草案标准,最终 IPv6 在 1998 年 12 月由互联网工程工作小组以互联网标准规范(RFC 2460)的方式正式公布。
IPv6 的计划是创建未来互联网扩展的基础,其目标是取代 IPv4,虽然 IPv6 在 1994 年就已被 IETF 指定作为 IPv4 的下一代标准,由于早期的路由器、防火墙、企业的企业资源计划系统及相关应用程序皆须改写,所以在世界范围内使用 IPv6 部署的公众网与 IPv4 相比还非常的少 [2][3],技术上仍以双架构并存居多。预计在 2025 年以前 IPv4 仍会被支持,以便给新协议的修正留下足够的时间。

与 IPv4 比较

在 Internet 上,数据以分组的形式传输。IPv6 定义了一种新的分组格式,目的是为了最小化路由器处理的消息标头 [4][5]。由于 IPv4 消息和 IPv6 消息标头有很大不同,因此这两种协议无法互操作。但是在大多数情况下,IPv6 仅仅是对 IPv4 的一种保守扩展。除了嵌入了互联网地址的那些应用协议(如 FTPNTPv3,新地址格式可能会与当前协议的语法冲突)以外,大多数传输层和应用层协议几乎不怎么需要修改就可以在 IPv6 上运行。

无状态地址自动配置(SLAAC)

当连接到 IPv6 网络上时,IPv6 主机可以使用邻居发现协议对自身进行自动配置。当第一次连接到网络上时,主机发送一个链路本地路由器请求(solicitation)多播请求来获取配置参数。路由器使用包含 Internet 层配置参数的路由器宣告(advertisement)报文进行回应 [6]
在不适合使用 IPv6 无状态地址自动配置的场景下,网络可以使用有状态配置(DHCPv6),或者使用静态方法手动配置。

IPv6 编码

IPv6 具有比 IPv4 大得多的编码地址空间。这是因为 IPv6 采用 128 位的地址,而 IPv4 使用的是 32 位。因此新增的地址空间支持 2128(约 3.4×1038)个地址,具体数量为 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456 个,也可以说成 1632 个,因为每 4 位地址(128 位分为 32 段,每段 4 位)可以取 24=16 个不同的值。
网络地址转换是目前减缓 IPv4 地址耗尽最有效的方式,而 IPv6 的地址消除了对它的依赖,被认为足够在可以预测的未来使用。就以地球人口 70 亿人计算,每人平均可分得约 4.86×1028(486117667×1020)个 IPv6 地址。
从 IPv4 到 IPv6 最显著的变化就是网络地址的长度。RFC 2373 和 RFC 2374 定义的 IPv6 地址有 128 位长;IPv6 地址的表达形式一般采用 32 个十六进制数。
在很多场合,IPv6 地址由两个逻辑部分组成:一个 64 位的网络前缀和一个 64 位的主机地址,主机地址通常根据物理地址自动生成,叫做 EUI-64(或者 64 - 位扩展唯一标识)。

IPv6 格式

IPv6 二进位制下为 128 位长度,以 16 位为一组,每组以冒号 “:” 隔开,可以分为 8 组,每组以 4 位十六进制方式表示。例如:2001:0db8:86a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344 是一个合法的 IPv6 地址。类似于 IPv4 的点分十进制,同样也存在点分十六进制的写法,将 8 组 4 位十六进制地址的冒号去除后,每位以点号 “.” 分组,例如:2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7344则记为2.0.0.1.0.d.b.8.8.5.a.3.0.8.d.3.1.3.1.9.8.a.2.e.0.3.7.0.7.3.4.4,其倒序写法用于 ip6.arpa 子域名记录 IPv6 地址与域名的映射。
同时 IPv6 在某些条件下可以省略:
  1. 每项数字前导的 0 可以省略,省略后前导数字仍是 0 则继续,例如下组 IPv6 是等价的。
    1. 2001:0db8:02de:0000:0000:0000:0000:0e13
      2001:db8:2de:0000:0000:0000:0000:e13
      2001:db8:2de:000:000:000:000:e13
      2001:db8:2de:00:00:00:00:e13
      2001:db8:2de:0:0:0:0:e13
  1. 可以用双冒号 “::” 表示一组 0 或多组连续的 0,但只能出现一次:
    1. 如果四组数字都是零,可以被省略。遵照以上省略规则,下面这两组 IPv6 都是相等的。
        • 2001:db8:2de:0:0:0:0:e13
        2001:db8:2de::e13
        • 2001:0db8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab
        2001:0db8:0000:0000:0000::1428:57ab
        2001:0db8:0:0:0:0:1428:57ab
        2001:0db8:0::0:1428:57ab
        2001:0db8::1428:57ab
    2. 2001::25de::cade 是非法的,因为双冒号出现了两次。它有可能是下种情形之一,造成无法推断。
        • 2001:0000:0000:0000:0000:25de:0000:cade
        • 2001:0000:0000:0000:25de:0000:0000:cade
        • 2001:0000:0000:25de:0000:0000:0000:cade
        • 2001:0000:25de:0000:0000:0000:0000:cade
    3. 如果这个地址实际上是 IPv4 的地址,后 32 位可以用 10 进制数表示;因此::ffff:192.168.89.9 相等于::ffff:c0a8:5909。
另外,::ffff:1.2.3.4 格式叫做 IPv4 映射地址
IPv4 位址可以很容易的转化为 IPv6 格式。举例来说,如果 IPv4 的一个地址为 135.75.43.52(十六进制为 0x874B2B34),它可以被转化为 0000:0000:0000:0000:0000:FFFF:874B:2B34 或者::FFFF:874B:2B34。同时,还可以使用混合符号(IPv4-compatible address),则地址可以为::ffff:135.75.43.52。
由于同一非全局地址可能在同一范围的多个区域中使用(例如,在两条独立的物理链路中使用链路本地地址 fe80::1),而且一个节点可能连接到同一范围的不同区域的接口(例如,一个路由器通常有多个接口连接到不同的链路)。IPv6 新增了区域 ID(Zone ID)加以区分,或称作用域 ID(Scope ID)。作用域 ID 仅用于本地链接,使用百分号追加在地址后面。其内容特定于操作系统,例如 Windows 使用数字 fe80::2%3 ,Linux 使用网卡名字 fe80::2%eth0 。[7] 在 URI 中使用时,百分号需要进行编码,例如 fe80::a%en1 应显示为 http://[fe80::a%25en1] 。[8]

IPv6 地址的分类

IPv6 地址可分为三种:[9]
单播(unicast)地址
单播地址标示一个网络接口。协议会把送往地址的数据包送往给其接口。IPv6 的单播地址可以有一个代表特殊地址名字的范畴,如链路本地地址(link local address)和唯一区域地址(ULA,unique local address)。单播地址包括可聚类的全球单播地址、链路本地地址等。
任播(anycast)地址
任播像是 Unicast(单点传播)与 Broadcast(多点广播)的综合。单点广播在来源和目的地间直接进行通信;多点广播存在于单一来源和多个目的地进行通信。
而 Anycast 则在以上两者之间,它像多点广播(Broadcast)一样,会有一组接收节点的地址列表,但指定为 Anycast 的数据包,只会发送给距离最近或发送成本最低(根据路由表来判断)的其中一个接收地址,当该接收地址收到数据包并进行回应,且加入后续的传输。该接收列表的其他节点,会知道某个节点地址已经回应了,它们就不再加入后续的传输作业。
以目前的应用为例,Anycast 地址只能分配给中间设备(如路由器、三层交换机等),不能分配给终端设备(手机、电脑等),而且不能作为发送端的地址。
多播(multicast)地址
多播地址也称组播地址。多播地址也被指定到一群不同的接口,送到多播地址的数据包会被发送到所有的地址。多播地址由皆为一的字节起始,亦即:它们的前置为 FF00::/8。其第二个字节的最后四个比特用以标明 “范畴”。
一般有 node-local(0x1)、link-local(0x2)、site-local(0x5)、organization-local(0x8) 和 global(0xE)。多播地址中的最低 112 位会组成多播组群标识符,不过因为传统方法是从 MAC 地址产生,故只有组群标识符中的最低 32 位有使用。定义过的组群标识符有用于所有节点的多播地址 0x1 和用于所有路由器的 0x2。
另一个多播组群的地址为 “solicited-node 多播地址”,是由前置 FF02::1:FF00:0/104 和剩余的组群标识符(最低 24 位)所组成。这些地址允许经由邻居发现协议(NDP,Neighbor Discovery Protocol)来解译链接层地址,因而不用干扰到在区网内的所有节点。

特殊地址

IANA 维护官方的 IPv6 地址空间列表 [10]。全局的单播地址的分配可在各个区域互联网注册管理机构或 GRH DFP 页面找到 [11]
IPv6 中有些地址是有特殊含义的:
未指定地址
  • ::/128-所有比特皆为零的地址称作未指定地址。这个地址不可指定给某个网络接口,并且只有在主机尚未知道其来源 IP 时,才会用于软件中。路由器不可转送包含未指定地址的数据包。
  • ::1/128-是一种单播绕回地址。如果一个应用程序将数据包送到此地址,IPv6 堆栈会转送这些数据包绕回到同样的虚拟接口(相当于 IPv4 中的 127.0.0.1/8)。
  • fe80::/10-这些链路本地地址指明,这些地址只在区域连线中是合法的,这有点类似于 IPv4 中的 169.254.0.0/16。
唯一区域地址
  • fc00::/7-唯一区域地址(ULA,unique local address)只可用于本地通信,类似于 IPv4专用网络地址 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12 和 192.168.0.0/16。这定义在 RFC 4193 中,是用来取代站点本地位域。这地址包含一个 40 比特的伪随机数,以减少当网站合并或数据包误传到网络时碰撞的风险。这些地址除了只能用于区域外,还具备全局性的范畴,这点违反了唯一区域位域所取代的站点本地地址的定义。
多播地址
  • ff00::/8-这个前置表明定义在 “IP Version 6 Addressing Architecture”(RFC 4291)中的多播地址 [12]。其中,有些地址已用于指定特殊协议,如 ff0X::101 对应所有区域的 NTP 服务器(RFC 2375)。
请求节点多播地址(Solicited-node multicast address)
  • ff02::1:FFXX:XXXX-XX:XXXX 为相对应的单播或任播地址中的三个最低的字节。
IPv4 转译地址
  • ::ffff:x.x.x.x/96-用于 IPv4 映射地址。(参见以下的转换机制)。
  • 2002::/16-用于 6to4
ORCHID
  • 2001:10::/28-ORCHID (Overlay Routable Cryptographic Hash Identifiers)(RFC 4843)。这些是不可绕送的 IPv6 地址,用于加密散列识别。
文件
  • 2001:db8::/32-这前置用于文件(RFC 3849)。这些地址应用于 IPV6 地址的示例中,或描述网络架构。
遭舍弃或删除的用法
  • ::/96-这个前置曾用于 IPv4 兼容地址,现已删除。
  • fec0::/10-这个站点本地前置指明这地址只在组织内合法。它已在 2004 年 9 月的 RFC3879 中舍弃,并且新系统不应该支持这类型的地址。

IPv6 数据包

notion image
IPv6 数据包的架构说明。
IPv6 数据包由两个主要部分组成:头部和负载。
包头是包的前 320 比特,并且包含有源和目的地址,协议版本,通信类别(8 位,包优先级),流标记(20 比特,QoS 服务质量控制),分组长度(16 位),下一个头部(用于入栈解码,类似 IPv4 中的协议号),和跳段数限制(8 位,生存时间,相当于 IPv4 中的 TTL)。后面是负载。MTU 至少 1280 字节长,在常见的以太网环境中为 1500 字节。负载在标准模式下最大可为 65535 字节,如果扩展报头设置了 “jumbo payload” 选项,则长度值被置为 0。
IPv6 曾有两个有着细微差别的版本;在 RFC 1883 中定义的原始版本(现在废弃)和 RFC 2460 中描述的现在提议的标准版本。两者主要在通信类别这个选项上有所不同,它的位数由 4 位变为了 8 位。其他的区别都是微不足道的。
由于分片(Fragmentation)只在 IPv6 的主机中处理,而 IPv6 也要求实现 “MTU 路径发现” 来避免数据包需要被中间设备分片,所以 IPv4 头涉及分片的字段从 IPv6 基本头移出至专用的分片扩展报头中。
在 IPv6 中,可选项都被从标准头部中移出并在协议字段中指定,类似于 IPv4 的协议字段功能。

IPv6 和域名系统

IPv6 地址在域名系统中为执行正向解析表示为 AAAA 记录(所谓 4A 记录,类似地,IPv4 表示为 A 记录 (A record));反向解析在 ip6._arpa_(原先是 ip6.int)下进行,在这里地址空间为半字节 16 进制数字格式。这种模式在 RFC 3596 给与了定义。
AAAA 模式是 IPv6 结构设计时的两种提议之一。另外一种正向解析为 A6 记录。也有一些其他的创新像二进制串标签和 DNAME 记录等。RFC 2874 和它的一些引用中定义了这种模式。
AAAA 模式只是 IPv6 域名系统的简单概括,A6 模式使域名系统中检查更全面,也因此更复杂:
  • A6 记录允许一个 IPv6 地址在分散于多个记录中,或许在不同的区域;举例来说,这就在原则上允许网络的快速重编号。
  • 使用域名系统记录委派地址被 DNAME 记录(类似于现有的 CNAME,不过是重命名整棵树)所取代。
  • 一种新的叫做比特标签的类型被引入,主要用于反向解析。
2002 年 8 月的 RFC 3363 中对 AAAA 模式给予了有效的标准化(在 RFC 3364 有对于两种模式优缺点的更深入的讨论)。

IPv6 部署与应用

2004 年 7 月时 ICANN 声称互联网的根域名服务器已经经过改进以同时支持 IPv6 和 IPv4。[13]
缺点:
  • 需要在整个互联网和它所连接到的设备上创建对 IPv6 的支持
  • 从 IPv4 访问时的转换过程中,在网关路由器(IPv6<–>IPv4)还是需要一个 IPv4 地址和一些 NAT(= 共享的 IP 地址),增加了它的复杂性,还意味着 IPv6 许诺的巨大的空间地址不能够立刻被有效的使用。
  • 遗留的结构问题,例如在对 IPv6 multihoming 支持上一致性的匮乏。
工作:
  • 6bone
  • IPv6 multihoming
部署进度:
  • 截至 2011 年,全球通过 IPv6 第二阶段认证的产品共 644 项,美国位居首共 264 种产品通过阶段认证,次为日本计 143 项,台湾居第三,共 115 项完成阶段认证,中国大陆居四,共 68 件产品通过阶段认证 [14]

网络层安全

网际网络安全协议(Internet Protocol Security,即 IPsec)原本为 IPv6 开发,但是在 IPv4 中已经大量部署。IPsec 最初是 IPv6 协议的强制要求 [15],但后来改为可选项。[16]

转换机制

在 IPv6 完全取代 IPv4 前,需要一些转换机制 [17] 使得只支持 IPv6 的主机可以联系 IPv4 服务,并且允许孤立的 IPv6 主机及网络可以借由 IPv4 设施联系 IPv6 互联网。
在 IPv6 主机和路由器与 IPv4 系统共存的时期时,RFC2893页面存档备份,存于互联网档案馆)和 RFC2185页面存档备份,存于互联网档案馆)定义了转换机制。这些技术,有时一起称作简单互联网转换(SIT,Simple Internet Transition)。[18] 包含:
  • 运作于主机和路由器之间的双堆栈 IP 实现
  • 将 IPv4 嵌入 IPv6 地址
  • IPv6 立于 IPv4 之上的隧道机制
  • IPv4/IPv6 报头转换
许多转换机制使用隧道来把 IPv6 交通包封在 IPv4 网络中。这个解决方案并不完美,可能会增加延时以及引起路径最大传输单元发现(Path MTU Discovery)的问题,[19] 它并不总能运行,因为过时的网络设备可能不支持 IPv6。有线电视基础上的 Internet 访问就是一个例子。在现代的有线电视网络中,光纤同轴混合网(HFC)的核心(比如大型核心路由器)是有可能支持 IPv6 的。然而,其他网络设备(比如一个线缆调制解调器终端系统(CMTS)) 以及用户设备(如线缆调制解调器)会需要软件更新或硬件更新来支持 IPv6。这意味着线缆网络运营商必须调整适应隧道直至主干设备支持内部双堆栈。

双堆栈

双堆栈(Dual IP stack implementation)是将 IPv6 视为一种 IPv4 的延伸,以共享代码的方式去实现网络堆栈,其可以同时支持 IPv4 和 IPv6,如此是相对较为容易的。如此的实现称为 “双堆栈”,并且,一个实现双堆栈的主机称为 “双堆栈主机”。这步骤描述于 RFC 4213。
目前大部分 IPv6 的实现使用双堆栈。一些早期实验性实现使用独立的 IPv4 和 IPv6 堆栈。

隧道

隧道(Tunneling)是另一个用来链接 IPv4 与 IPv6 的机制。为了连通 IPv6 互联网,一个孤立主机或网络需要使用现存 IPv4 的基础设施来携带 IPv6 数据包。这可由将 IPv6 数据包装入 IPv4 数据包的隧道协议来完成,实际上就是将 IPv4 当成 IPv6 的链接层。
IP 协议号码的 41 号用来标示将 IPv6 资料帧直接装入 IPv4 数据包。IPv6 亦能加入 UDP 数据包,如为了跨过一些会阻挡协议 41 流量的路由器或 NAT 设备。其它流行的封装机制则有 AYIYA 和 GRE

自动隧道

自动隧道(Automatic tunneling)指路由设施自动决定隧道端点的技术。RFC 3056 建议使用 6to4 隧道技术来自动隧道,其会使用 41 协议来封装。[20] 隧道端点是由远程知名的 IPv4 任播地址所决定,并在本地端嵌入 IPv4 位址信息到 IPv6 中。现今 6to4 是广泛布署的。
Teredo 是使用 UDP 封装的隧道技术,据称可跨越多个 NAT 设备。[21]Teredo 并非广泛用于布署的,但一个实验性版本的 Teredo 已安装于 Windows XP SP2 IPv6 堆栈中。IPv6,包含 6to4 隧道和 Teredo 隧道,在 Windows Vista 中默认是启动的。[22] 许多 Unix 系统只支持本地的 6to4,但 Teredo 可由如 Miredoo 的第三方软件来提供。
ISATAP[23] 借由将 IPv4 位址对应到 IPv6 的链路本地地址,从而将 IPv4 网络视为一种虚拟的 IPv6 区域连线。不像 6to4 和 Teredo 是_站点间_的隧道机制,ISATAP 是一种_站点内_机制,意味着它是用来设计提供在一个组织内节点之间的 IPv6 连接性。

配置隧道(6in4)

在_配置隧道_中,如 6in4 隧道隧,隧道端点是要明确配置过的,可以是借由管理员手动或操作系统的配置机制,或者借由如 tunnel broker 等的自动服务。[24] 配置隧道通常比自动隧道更容易去调试,故建议用于大型且良好管理的网络。
配置隧道在 IPv4 隧道上,使用网际协议中号码的 41 号。

用于只支持 IPv6 主机的代理和转译

局域网际网络注册管理机构耗尽所有可使用的 IPv4 位址后,非常有可能使新加入互联网的主机只具有 IPv6 连接能力。对这些须要向后兼容以能访问 IPv4 资源的客户端,须要布署合适的转换机制。
一种转换技术是使用双堆栈的应用层代理,如网页代理服务器。
一些对于应用程序无法得知但在其低层使用类 NAT 转换技术也曾被提出。但因为一般应用层协议所要求的能力其应用太广,其中大部分都被认定在实际上太不可靠,并且被认为应删除。

主要的 IPv6 公告

  • 在 2003 年,日本经济新闻(在 2003 年被 CNET 亚洲机构引用)报告中说日本、中国和韩国声称已经决定要在网络技术中寻求领先,将部分参与 IPv6 的开发并在 2005 年开始全面采用 IPv6[来源请求]
  • ICANN 在 2004 年 7 月 20 日发表声明,称 DNS 根服务器已经创建对应日本(.jp)和韩国(.kr)的顶级域名服务器的 AAAA 记录,序列号为 2004072000。对应法国的(.fr)IPv6 记录会再晚一点时间加入。
  • 2011 年互联网协会将 6 月 8 日定为世界 IPv6 日。包括 Google、Facebook 和雅虎在内的参与者将在当天对他们的主要服务启用 IPv6,以推进互联网工业加速部署全面 IPv6 支持 [25]
  • 2017 年 11 月 26 日,中共中央办公厅国务院办公厅印发《推进互联网协议第六版(IPv6)规模部署行动计划》,要求各地各部门贯彻落实。其中主要目标包括:到 2018 年末,IPv6 活跃用户数达 2 亿,互联网用户中占比不低于 20%;到 2020 年末,IPv6 活跃用户数超过 5 亿,互联网用户中占比超过 50%,新增网络地址不再使用私有 IPv4 地址;到 2025 年末,中国 IPv6 网络规模、用户规模、流量规模位居世界第一,网络、应用、终端全面支持 IPv6。[26]
  • 根据科技信息网站 cnBeta.com,截至 2021 年 4 月 8 日,中国总共获得 IPv6 地址块数量为 59,039 个/32(即是每段 32 位的 IPv6 地址数目),目前排名第二的美国拥有 57,785 个/32。[27]

参见

相关的 IETF 工作组

  • ipng:IP Next Generation (concluded)
  • multi6:Site Multihoming in IPv6

参考资料

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  • RFC 2460 - Internet Protocol, Version 6 - 现在版本
  • RFC 1883 - Internet Protocol, Version 6 - 旧版本
  • RFC 5214: Intra-Site Automatic Tunnel Addressing Protocol (ISATAP) - 现在版本取代 RFC 4214

外部链接

[hide] • • 论 • 网际协议第 6 版
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