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IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（上篇）

Posted on 2018-05-18 15:14 Jack Jiang 閱讀(444) 評論(0) 編輯收藏

本文來自微信技術架構部的原創技術分享。

1、前言

普及IPV6喊了多少年了，連蘋果的APP上架App Store也早已強制IPV6的支持，然并卵，因為歷史遺留問題，即使在IPV4地址如果饑荒的情況下，所謂的普及還是遙遙無期。但不可否認的是，IPV6肯定是未來趨勢，做為網絡通信領域的程序員來說，詳細學習和了解IPV6是很有必要的，所謂厚積薄發，誰知道哪天IPV6真的普及了呢？那么，我們開始看正文吧。

學習交流：

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（本文同步發布于：http://www.52im.net/thread-1605-1-1.html）

2、系列文章

文章太長，分為兩篇來講，本文是2篇文章中的第1篇：

《IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（上篇）》（本文）
《IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（下篇）》

本文是系列文章中的上篇，主要講解IPV6的基本概念。

3、正文引言

2017年11月26日，中共中央辦公廳和國務院辦公廳印發了《推薦互聯網協議第六版（IPv6）規模部署行動計劃》，并發出通知，要求各地區各部門結合實際認真貫徹落實。這條新聞傳達了一個很重要的信息：這個是推進中國IPv6發展的戰略總動員令。

本文將會從以下幾個方面進一步介紹IPv6，包括有：

1）IPv6的基本概念；
2）IPv6在Linux操作系統下的實現；
3）IPv6的實驗；
4）IPv6的過渡技術介紹；
5）IPv6在Linux平臺下socket編程應該注意的問題；
6）實現簡易版TGW支持IPv6雛形demo。

值得說的是，目前我們接觸得比較多的主流操作系統內核，已經很好地支持IPv6協議棧，例如：

Windows： windows 7、windows 8.x、windows 10，默認開啟IPv6；
Linux：內核2.6.x、內核3.x、內核4.x 已經支持IPv6（需要手動開啟）；
iOS：IOS9開始已經支持IPv6 Only，2016年蘋果已經強制要求app必須支持IPv6。

本系列文章提到的IPv6節點，沒有特殊說明，一般指的是純IPv6節點（IPv6 Only），也就是只支持IPv6協議棧。IPv4節點，是指純IPv4的節點，也就是只支持IPv4協議棧。如果節點支持IPv6和IPv4雙棧，會指明是雙棧節點。

本文是系列文章中的上篇，主要講解IPV6的基本概念，其它內容將在下篇《IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（下篇）》中詳細講解。

眾所周知，32位的IPv4地址已經耗竭，IPv6采用128位的地址長度擁有更大的地址空間。首先我們先來認識一下IPv6到底長成什么樣子。

4、初識IPv6

▲ 圖1：IPv6數據報文

上圖是我們最熟悉的ping的IPv6版本ICMPv6，可以看到，IPv6數據報文和IPv4有很大的差別：

1）數據鏈路層（L2）的type字段標識為 0x86dd，表示承載的上層協議是IPv6（IPv4對比：type字段為0x0800）；
2）IPv6的頭部字段，和IPv4差別巨大（可以猜測到，IPv6和IPv4無法兼容）。

IPv6的報文頭部格式如下：
IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（上篇）_2.png

▲ 圖2：IPv6報文頭部

IPv6報文頭部更精簡了，字段更少了，對比起IPv4，有以下幾個地方值得注意：

1）IPv6報文頭部是定長（固定為40字節），IPv4報文頭部是變長的。這個意味著，寫代碼處理IPv6數據報文的效率會提高很多：）；
2）IPv6中Hop Limit字段含義類似IPv4的TTL；
3）IPv6中的Traffic Class字段含義類似IPv4中的TOS（Type Of Service）；
4）IPv6的報文頭部取消了校驗和字段：取消這個字段也是對IPv4協議的一個改進。當IPv4報文在網路間傳輸，每經過一個路由器轉發就是修改TTL字段，就需要重新計算校驗和，而由于數據鏈路層L2和傳輸層L4的校驗已經足夠強壯，因此IPv6取消這個字段會提高路由器的轉發效率。值得一提的是，在IPv6協議下，傳輸層L4協議UDP、TCP是強制需要進行校驗和的（IPv4是可選的）；
5）IPv6報文頭部中的Next Header字段表示“承載上一層的協議類型”或者“擴展頭部類型”。

這里的含義與IPv4有很大的差別，需要加以解釋：

當IPv6數據報文承載的是上層協議ICMPv6、TCP、UDP等的時候，Next Header的值分別為58、6、17，這個時候和IPv4報文頭部中的Protocol字段很類似;
當不是以上3種協議類型的時候，IPv6報文頭部緊接的是擴展頭部。擴展頭部是IPv6引入的一個新的概念，每個IPv6的數據報文可以承載0個或多個擴展頭部，擴展頭部通過鏈表的形式組織起來。當IPv6數據報文承載著擴展頭部的時候，Next Header的數值為擴展頭部的類型值。

為什么要引入擴展頭部這個概念，這里也是IPv6對IPv4改進的一個方面，用擴展頭部取代了IPv4的可選項信息，精簡了IPv6的頭部，增強了IPv6的擴展性。有同學會不會有疑問，IPv6的分片數據報文怎么處理？其實就是使用了IPv6擴展頭部。我們來抓一個UDP分片報文來看看。

IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（上篇）_3.png

▲ 圖3：IPv6分片報文

當發送一個分片IPv6數據報文的時候，IPv6使用的是擴展頭部的形式組織各個分片的信息，如圖IPv6報文頭部Next Header字段值為44表示存在擴展頭部，擴展頭部是IPv6分片數據信息。

對比IPv4，分片信息是記錄在IPv4報文頭部的分片字段中。

IPv6的擴展頭部類型有很多種，除了上述的分片頭部，還有路由頭部、逐跳可選頭部等，具體的可以參考RFC2460。

本章主要介紹了IPv6的一些很直觀的認識，下面逐漸介紹IPv6上的基本知識和概念。

5、IPv6的地址語法

一個IPv6的地址使用冒號十六進制表示方法：128位的地址每16位分成一段，每個16位的段用十六進制表示并用冒號分隔開，例如：
一個普通公網IPv6地址：2001:0D12:0000:0000:02AA:0987:FE29:9871

IPv6地址支持壓縮前導零的表示方法，例如上面的地址可以壓縮表示為：
2001

12:0:0:2AA:987:FE29:9871

為了進一步精簡IPv6地址，當冒號十六進制格式中出現連續幾段數值0的位段時，這些段可以壓縮為雙冒號的表示，例如上面的地址還可以進一步精簡表示為：
[pquote]2001

12::2AA:987:FE29:9871

又例如IPv6的地址FF80:0:0:0:FF:3BA:891:67C2可以進一步精簡表示為：
FE80::FF:3BA:891:67C2

這里值得注意的是：雙冒號只能出現一次。

6、IPv6地址的號段劃分和前綴表示法

IPv6擁有128位巨大的地址空間，對于那么大的空間，也不是隨意的劃分，而是使用按照bit位進行號段劃分（與鵝廠內部一些的64位uin改造放號的zone劃分算法）。

IPv6的地址結構如下圖：
IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（上篇）_111.jpg

▲ 圖4：IPv6地址結構

例如RFC4291中定義了n=48, m=16，也就是子網和接口ID與各占64位。

IPv6支持子網前綴標識方法，類似于IPv4的無分類域間路由CIDR機制（注意：IPv6沒有子網掩碼mask的概念）。

使用“IPv6地址/前綴長度”表示方法，例如：

2001:C3:0:2C6A::/64表示一個子網；
而2001:C3:0:2C6A:C9B4:FF12:48BC:1A22/64表示該子網下的一個節點地址。

可以看到，一個IPv6的地址有子網前綴+接口ID構成，子網前綴由地址分配和管理機構定義和分配，而接口ID可以由各操作系統實現生成，生成算法后面的章節會介紹。

7、IPv6的地址類型

IPv6地址分三種類型：

1）單播，對應于IPv4的普通公網和私網地址；
2）組播，對應于IPv4的組播（多播）地址；
3）任播，IPv6新增的地址概念類型。

IPv6沒有廣播地址，用組播地址實現廣播的功能。實際上我們工作和生活最可能最多接觸的就是單播地址，接下來本文重點會講解單播地址的種類。組播和任播地址有興趣的同學自行查閱相關RFC和文獻。

8、IPv6單播地址

注意：大家如果在網上搜索IPv6的地址，可能都是千篇一律的把所有“出現過”的單播地址介紹出來，其實有一些單播地址類型已經在相關的RFC中被廢除或者不建議使用，而本節會指出這類地址。同時，在介紹單播地址的時候，盡量與IPv4中對應的或者相類似的概念做對比，加深理解。

IPv6單播地址有以下幾種。

8.1全球單播地址

▲ 圖5：IPv6全球單播地址結構

前綴2000::/3，相當于IPv4的公網地址（IPv6的誕生根本上就是為了解決IPv4公網地址耗盡的問題）。這種地址在全球的路由器間可以路由。

8.2鏈路本地地址

▲ 圖6：鏈路本地地址結構

前綴FE80::/10，顧名思義，此類地址用于同一鏈路上的節點間的通信，主要用于自動配置地址和鄰居節點發現過程。Windows和Linux支持或開啟IPv6后，默認會給網卡接口自動配置一個鏈路本地地址。也就是說，一個接口一定有一個鏈路本地地址。

如下圖：
IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（上篇）_6.png

▲ 圖7：Linux下查看鏈路本地地址

IPv6技術詳解：基本概念、應用現狀、技術實踐（上篇）_7.png

▲ 圖8：Windows下查看鏈路本地地址

值得說的是：每個接口必須至少有一個鏈路本地地址；每個接口可以配置1個以上的單播地址，例如一個接口可以配置一個鏈路本地地址，同時也可以配置一個全球單播地址。

注意：很容易會把鏈路本地地址和IPv4的私網/內網地址對應起來，其實鏈路本地地址對應于IPv4的APIPA地址，也就是169.254開頭的地址（典型場景就是windows開啟自動獲取地址而獲取失敗后自動分配一個169.254的地址）。而IPv4私網對應于IPv6的什么地址，后面會介紹。

特別地：在IPv6 socket編程中，可以使用鏈路本地地址編程通信，但是需要增加一些額外的參數（這是一個小坑），在后面介紹編程的章節會介紹。

8.3唯一本地地址

▲ 圖9：唯一本地地址結構

前綴FC00::/7，相當于IPv4的私網地址（10.0.0.0、172.16.0.0、192.168.0.0），在RFC4193中新定義的一種解決私網需求的單播地址類型，用來代替廢棄使用的站點本地地址。

可能看到這里，有同學會跳出來說：IPv6不是為了解決IPv4地址耗盡的問題嗎，既然IPv6的地址空間那么大，可以為每一個網絡節點分配公網IPv6的節點，那為什么IPv6還需要支持私網？這里需要談談對IPv6下私網支持的認識。

在IPv4中，利用NAT技術私網內的網絡節點可以使用統一的公網出口訪問互聯網資源，大大節省了IPv4公網地址的消耗（IPv6推進緩慢的原因之一）。另一方面，由于默認情況下私網內節點與外界通信的發起是單向的，網絡訪問僅僅能從私網內發起，外部發起的請求會被統一網關或者防火墻阻隔掉，這樣的網絡架構很好的保護了私網內的節點安全性和私密性。可以設想一下，如果鵝廠內部每臺辦公電腦都配置了IPv6的公網地址上網，是多么可怕的事情，每臺辦公電腦都會面臨被黑客入侵的威脅（肉雞真多）。

因此，在安全性和私密性要求下，IPv6中同樣需要支持私網，并且也需要支持NAT。在Linux內核3.7版本開始加入對IPv6 NAT的支持，實現的方式和IPv4下的差別不大（Linux內核代碼中變量和函數的命名幾乎就是ctrl+c和ctrl+v過來的-_-||）。

8.4站點本地地址

前綴FEC9::/48，以前是用來部署私網的，但RFC3879中已經不建議使用這類地址，建議使用唯一本地地址。大家知道有這么一回事就可以了。網上還有很多文章還提到這種地址，但是沒有說明這種地址已經不再使用。

8.5特殊地址：回環地址

0:0:0:0:0:0:0:1或::1，等同于IPv4的127.0.0.1

8.6過渡地址：內嵌IPv4地址的IPv6地址

就是在IPv6的某一些十六進制段內嵌這IPv4的地址，例如IPv6地址中64:ff9b::10.10.10.10，此IPv6地址最后4個字節內嵌一個IPv4的地址，這類地址主要用于IPv6/IPv4的過渡技術中。

9、IPv4兼容地址

0:0:0:0:0:0:w.x.y.z或::w.x.y.z（其中w.x.y.z是點分十進制的IPv4地址）。但在RFC4291中已經不推薦使用這類地址，大家知道有這么一回事就可以了。

過渡地址：IPv4映射地址
0:0:0:0:0:FFFF:w.x.y.z或::FFFF:w.x.y.z（其中w.x.y.z是點分十進制的IPv4地址），用于IPv6地址表示IPv4地址。主要用于某些場景下IPv6節點與IPv4節點通信，Linux內核對這類地址很好地支持，在后面編程和內核分析的章節會分析使用過程。

過渡地址：特定過渡技術地址
6to4地址、ISATAP地址、Teredo地址主要用于對應的過渡技術的地址，在后面介紹過渡技術的時候會介紹。

10、IPv6接口ID生成算法

從前面的介紹中可以看出，IPv6單播地址是由前綴（64位）+接口ID（64位）組成。

接口ID的生成算法主要有以下幾種：

1）根據RFC4291定義，接口ID可以從EUI-64地址生成：詳細算法可以查看regli同學的PPT第14頁；
2）為了可以具備某種程度的匿名信，接口ID可以使用一個隨機分配的，windows操作系統默認就是使用這種生成算法，Linux下也是默認開啟這個算法；
3）使用狀態化的自動配置技術分配，例如DHCPv6分配；
4）手工配置。

11、IPv6地址配置

前面對IPv6的地址、前綴、接口等等做了介紹，接下來就是要介紹一個接口如何配置IPv6地址。IPv6一個比IPv4更厲害的方面，就是可以自動配置地址，甚至這個配置過程不需要DHCPv6（在IPv4中是DHCPv4）這樣的地址配置協議。最典型的例子就是，只要開啟了IPv6協議棧的操作系統，每個接口就能自動配置了鏈路本地地址，這個是和IPv4最重要的區別之一。

IPv6的地址配置有以下幾種：

1）只要開啟了IPv6協議棧，接口自動分配鏈路本地地址；
2）無狀態自動配置地址（RFC2462），后面會有實驗演示；
3）有狀態自動配置地址，例如DHCPv6。
4）手動配置。

12、IPv6的域名解析

由于IPv6的地址擴展為128位，比IPv4的更難書寫和記憶，因此IPv6下的DNS變得尤為重要。IPv6的的DNS資源記錄類型為AAAA（又稱作4A），用于解析指向IPv6地址的完全有效域名。

下面是一個示例：
Hostipv6.example.wechat.com IN AAAA 2001:db8:1::1

IPv6下的域名解析可以認為是IPv4的擴展，詳細可以查看RFC3596.

（—— 本文未完，下篇待續 ——）

作者：Jack Jiang (點擊作者姓名進入Github)
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Jack Jiang同時是【原創Java Swing外觀工程BeautyEye】和【輕量級移動端即時通訊框架MobileIMSDK】的作者，可前往下載交流。
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