IPv6介绍

一、为什么需要IPv6

为了扩大地址空间，拟通过IPv6重新定义地址空间。IPv4采用32位地址长度，只有大约43亿个地址，估计在2005～2010年间将被分配完毕，而IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算IPv6实际可分配的地址，整个地球每平方米面积上可分配1000多个地址。在IPv6的设计过程中除了一劳永逸地解决地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其它问题。IPv6的主要优势体现在以下几方面：扩大地址空间、提高网络的整体吞吐量、改善服务质量(QoS)、安全性有更好的保证、支持即插即用和移动性、更好实现多播功能。

显然，IPv6的优势能够对上述挑战直接或间接地作出贡献。其中最突出的是IPv6大大地扩大了地址空间，恢复了原来因地址受限而失去的端到端连接功能，为互联网的普及与深化发展提供了基本条件。当然，IPv6并非十全十美、一劳永逸，不可能解决所有问题。IPv6只能在发展中不断完善，也不可能在一夜之间发生，过渡需要时间和成本，但从长远看，IPv6有利于互联网的持续和长久发展。

二、IPv6的优势

相比较于IPv4，IPv6的优点主要有：更大的地址空间、更小的路由表、增强的组播和流控制、自动配置和更高的安全性。

1. 巨大的地址空间

由于IPv6具有巨大的地址空间，每个接入设备（数量可达数十亿的移动终端、家用电器等等）都可以拥有一个全球唯一的、可被路由的IP地址。

2. 高效的路由选择

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报文首部。由于IPv4报文和IPv6 报文首部有很大不同，因此这两种协议无法互操作。基于结构化的IP地址，核心路由器只需要查看地址域中的一小部分就可以作出路由选择。

IPv4地址的层次结果缺乏统一的分配和管理，多数的地址空间拓扑结构只要两层或者三层，这导致主干路由器中存在大量的路由表项。庞大的路由表项增加了路由查找和存储的开销，成为互联网进一步发展的瓶颈。另外，由于IPv4数据包的包头长度不固定，很难用硬件来提取和分析路由信息，限制了路由器数据吞吐率 的提高。

3. 可靠的安全性

对所有IPv6节点， IPSec是强制实现的，因此当建立一个IPv6的连接时，可以得到一个安全的端到端连接。通过对通信端的验证和对数据的加密保护使得敏感数据可以在IPv6 网络上安全地传输。

IPv4自身缺乏安全机制，传统的安全机制基本都是在应用层或传输层实现，虽然有一些基于IP选项的关于IPv4的安全机制，但在实际应用中并不成功，也就是说目前以IPv4为基础的Internet，在网络层缺少安全保障。

4. 多样化的服务质量

IPv6包头中有一个业务类别域(Traffic Class)，利用此域可以实现对关键用户和应用的优先服务。IPv6包头中的流标记域(flow label)为流量工程  (Traffic Engineering)  和负载平衡以及区分端到端的数据流提供了一个强有力的工具。全球唯一的地址可以更详细地区分数据流，而结构化的地址则可以很容易地在边缘网络上实现数据流的聚合。

IPv4协议对所有的数据没有类型区分，都会尽力投递，这样无法为一些新业务提供有效的支持。比如一些实时数据或者多媒体数据，要求有一定的服务质量保证，然而在IPv4协议中缺少良好的服务质量（QoS）机制。

5. 易管理性

结构化的地址加上主机的自动配置，使得网络和路由器的网络重编号得以轻松实现。对ISP和网络管理员而言，这大大减轻了网络管理和用户支持的工作量，地址的自动配置使得主机可以自动获得IPv6连接而无需人工干预。

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声明（advertisement）报文进行回应。

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，如DHCPv6，或者使用静态方法手动配置。

6. 与移动的互通性

当移动终端移动到外地时，可以通过地址自动配置得到一个漫游地址，并且用此地址与网络上的节点进行通信。利用移动IPv6和HOME Agent，移动终端可以在保持已有的通信连接不被中断的情况下,在不同的网络间进行漫游，同时还能保持自身的可达性。

三、IPv6基础知识

1. IPv6的层次化设计

大型互联网服务商的IPv6网络采用层次化、结构化的设计，可以把网络分为多个区域(地区)，每个区域有多个区域骨干节点，每个骨干节点汇聚多个接入网(站)点，通过接入网点连接终端网点(企业或个人用户)提供服务;一般来说，是一个4个层级的网络模型，而小型互联网服务商则采用1-2层级的网络模型。

2. IPv6地址格式及IPv6地址空间格式

IPv6地址全部长度128位(bit)，每16位为一个双字节，用十进制表示值从0到65535，共八段。(IPv4地址长度为32位，可支持232,约43亿个设备直接接入互联网。)其表示方法如下：

A、冒号分隔形式，比如x:x:x:x:x:x:x:x，其中x是16进制数，值从0x0000-0xFFFF。示例：FB21:1233:55B2:AA44:12B8:6761:890F:AB31。

B、同0压缩形式，就是地址中如果出现连续两个或两个以上0时，可以采用压缩表示形式::（双冒号表示），但只能出现一次，因为如果出现两个或以上双冒号，技术上无法识别出实际的地址，比如FB21:0:0:0:12B8:6761:0:0，就可表示成FB21::12B8:6761:0:0，或 FB21:0:0:0:12B8:6761::，不能表示成FB21::12B8:6761::。如果8个段值都是0，可以用::表示。

C、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是相等的。如FB21:0233:05B2:AA44:12B8:6761:890F:AB31

C、混合形。如果这个地址实际上是IPv4地址，后32位可以用10进制数表示。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。

IPv6地址空间：类似于IPv4中的CDIR表示方法，IPv6用前缀来表示网络地址空间，比如：2001:250:6000::/48 表示前缀为48位的地址空间，其后的80位可分配给网络中的主机，共有2的80次方个地址。

3. IPv6地址分类

IPv6按照传输类型分为单播地址（unicast）、任播地址（anycast）和多播地址（multicast）。

Ø 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投送给其接口。IPv6的单播地址可以有一个代表特殊地址名字的范畴，如link-local地址和唯一区域地址（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。

Ø 任播（anycast）地址。Anycast 是 IPv6 特有的数据传送方式，它像是IPv4的Unicast(单点传播)与Broadcast(多点广播)的综合。IPv4 支持单点传播和多点广播，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栏表，但指定为 Anycast 的数据包，只会传送给距离最近或传送成本最低(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 地址只能分配给路由器，不能分配给电脑使用，而且不能作为发送端的地址。

Ø 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传送到所有的地址。

3. IPv6地址结构

为了便于路由汇聚和简化网络管理，配置，变更和扩展的工作量，IPv6采用层次化、结构化的地址规划，一般来说，按RFC3177的原则，把128位的IPv6地址分为一个64位的网络标识符和一个64位的节点(主机)标识符，节点(主机)标识符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);64位的网络标识符又进一步分为全球网络标识符和本地子网标识符，通常全球网络标识符占用48位和本地子网标识符占有16位，如下图所示：

4．IPv6数据包

IPv6数据包由两个主要部分组成：头部和负载。包头是包的前64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，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。

图2 IPv6数据包的架构说明

三、IPv6推广中存在的问题及解决方案

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FTP和NTPv3，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工作在IPv6上。虽然如此，但由于IPv6和IPv4的报文商务部有很大的不同，因此这两种协议无法互操作。

IPv6与IPv4不兼容，实际上建成的相当于两张网。对用户来说，IPv4网的资源非常丰富，而IPv6网的内容却很少。虽然标准制定者、研究机构和政府部门大力推广IPv6网络，但由于用户和企业的动力不足，IPv6网络推进缓慢。2010年3月份，专家们表示IPv6信息仅占互联网信息总量的1%。