网络网络层之(3)IPv6协议
Author: Once Day Date: 2024年4月2日
一位热衷于Linux学习和开发的菜鸟，试图谱写一场冒险之旅，也许终点只是一场白日梦…
漫漫长路，有人对你微笑过嘛…
全系列文档可参考专栏：通信网络技术_Once-Day的博客-CSDN博客。
参考文章:
《TCP/IP详解卷一》IEEE RA Guidelines for Use of EUI, OUI, and CIDIPv6本地链路地址生成方式_ipv6_addr_gen_mode-CSDN博客RFC 2373: IP Version 6 Addressing Architecture (rfc-editor.org)RFC 2464: Transmission of IPv6 Packets over Ethernet Networks (rfc-editor.org)RFC 4291: IP Version 6 Addressing Architecture (rfc-editor.org)
文章目录
网络网络层之(3)IPv6协议1. 概述1.1 基础信息1.2 IPv6地址简化表示方法
2. IPv6地址2.1 IPv6地址构成2.2 IPv6本地链路地址
3. IPv4和IPv6地址转换3.1 单播地址转换
4. IPv6组播地址4.1 组播地址格式4.1 特殊组播地址
1. 概述
1.1 基础信息
IPv6地址是互联网协议第六版（Internet Protocol Version 6）的一部分，它是为了解决IPv4地址耗尽问题而设计的新一代互联网地址协议。
IPv6地址使用128位地址长度，相较于IPv4的32位，大幅增加了地址空间，可以为地球上几乎每一粒沙子分配一个唯一的网络地址。
它通常使用十六进制表示，并且通过冒号（:）分隔成8组，每组4个十六进制数。例如，一个IPv6地址可能看起来像这样：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。
IPv6很多地方规则与IPv4一致，因此本文不再描述那些与IPv4一样的内容，而是谈谈IPv6比较独特的地方。
1.2 IPv6地址简化表示方法
IPv6地址由于其128位的长度，以标准方式表示时非常长，因此在实际使用中，人们通常会采用简化表示法来减少地址的复杂性。IPv6地址简化的基本规则包括以下方面[RFC4291]：
省略前导零：在IPv6地址的每个16位字段中，可以省略字段起始部分的所有零。例如，“0042"可以简化为"42”，“0A00"可以简化为"A00”。 双冒号缩写：在IPv6地址中，一连串的零可以被替换为"::“（双冒号）。这个简化规则只能使用一次，因为多次使用会造成地址不明确。例如，2001:0db8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab可以被简化为2001:0db8::1428:57ab。如果地址中有多个零段，通常会将最长的连续零段替换为”::"以进行最大程度的简化。 在IPv6格式中嵌入IPv4地址可以采用混合符号形式，紧接着IPv4部分的地址块的值为ffff，地址其与部分使用点分四组格式。如::ffff:10.0.0.1表示由IPv4地址(10.0.0.1)映射的IPv6地址。 IPv6地址的低32位通常采用点分四组表示法，例如::0102:f001可以表示为::1.2.240.1，称为IPv4兼容的IPv6地址。
例如，完整的IPv6地址2001:0db8:0000:0000:0000:0000:0000:0001可以被简化为2001:0db8::1。
需要注意的是，"::"不能用于省略单个零段，因为这会导致地址的歧义。
[RFC5952]制定了一些规则，以缩小选择范围，减少不必要的混淆。
前导的零必须被压缩，例如2001::0001变成2001::1。::用于影响最大的地方，以压缩最多的零，如果多个块中包含等长度的零，顺序靠前的块将被替换为::。a到f的十六进制数字应该使用小写表示。
在URL等场景下，IPv6的冒号会和端口号冲突，因此需要使用括号包围IPv6地址，如下表示:
https://[2001:6666]:443
2. IPv6地址
2.1 IPv6地址构成
IPv6地址比IPv4长了四倍，因此能表示的地址数目范围非常大，也没有像IPv4一样分为A/B/C/D类地址。
IPv6吸取了IPv4子网划分的优点，直接一步到位，使用CIDR表示，通过前缀表示法，来划分许多特殊地址范围，如fe80::/10范围内的地址全都是本地链路地址，不能用于公共互联网。
IPv6也没有广播地址，因此不用像IPv4一样去区分子网号和主机号，直接根据地址范围划分作用。
常见IPv6地址范围划分如下:
前缀描述::/0默认路由条目，不用于寻址。::/128未指定地址 (Unspecified Address)，可用于源IP地址。::1/128环回地址 (Loopback Address)，类似于IPv4中的127.0.0.1。fc00::/7唯一本地地址 (Unique Local Address, ULA)，不用于公共互联网。fe80::/10链路本地地址 (Link-Local Address)，只在单个链路上有效，不会被路由器转发到其他链路。ff00::/8多(组)播地址 (Multicast Address)，仅作为目的IP地址使用。::ffff:0:0/96IPv4映射地址 (IPv4-mapped IPv6 Address)，只用于内部主机。64:ff9b::/96IPv4-IPv6转换地址 (IPv4-IPv6 Translation Address)，用于自动IPv4/IPv6转换机制(如NAT64)。
通常一个网络接口上会有多个IPv6地址(本地链路地址+全球单播地址+组播地址等等)，而IPv4一般只有一个地址。
2.2 IPv6本地链路地址
链路本地IPv6地址使用接口标识符(IID)作为组成之一，通常直接由接口的链路层MAC地址形成，如下:
在IEEE标准中，EUI表示扩展唯一标识符，分成EUI-64和EUI-48版本。以太网中常用的是EUI-48的短格式版本，两者区别是其长度不一样。
EUI-48也就是常说的MAC地址，其第一个字节最低倒数第二位(U/G)表示该MAC地址是全局MAC地址还是本地MAC地址。
EUI-48通过在第三个字节和第四个字节中插入两个字节(0xFFFE)可以转化成EUI-64地址，再取反(U/G)位，便可以用于链路本地IPv6地址的接口标识符组成。反转目的是将原来的全局MAC地址变成本地MAC地址，正好对应链路本地IPv6地址含义。
例如，接口MAC地址是00:11:22:33:44:55，那么其IPv6链路本地地址是fe80::0211:22ff:fe33:4455。
下面是Linux设备上的IPv6链路本地地址实例：
ubuntu->~:$ ifconfig eth0
eth0: flags=4163
inet 10.0.4.17 netmask 255.255.252.0 broadcast 10.0.7.255
inet6 fe80::5054:ff:fe85:f022 prefixlen 64 scopeid 0x20
ether 52:54:00:85:f0:22 txqueuelen 1000 (Ethernet)
RX packets 52199351 bytes 16755548321 (16.7 GB)
RX errors 0 dropped 0 overruns 0 frame 0
TX packets 47234618 bytes 12477606055 (12.4 GB)
TX errors 0 dropped 0 overruns 0 carrier 0 collisions 0
Mac地址是52:54:00:85:f0:22，有0x52=b'01010010，这是一个本地MAC地址，取反之后，即52:54:00:85:f0:22。
然后添加0xFFFE，便构造出实际的链路本地IPv6地址fe80::5054:ff:fe85:f022。
对于其他链路层或者IP隧道协议，会使用各自独特的标识符来创建，例如隧道IP地址。
注意，这里细心的人也许发现了，52:54:00:85:f0:22是个本地MAC地址，反转之后不就变成了全局MAC地址呢？
确实如此，这是实践带来的问题，上述设备是qemu虚拟设备，因此使用了本地MAC地址。在[RFC 4291]中，明确表示EUI-64地址反转U/G位后，其含义仅供参考，不强行要求对应本地链路含义。
简单来说，修改后的EUI-64地址能对应上“链路本地”含义最好，不能对应也不算是错误，只是一串描述符而已。
3. IPv4和IPv6地址转换
3.1 单播地址转换
在一些IPv6和IPv4过渡的网络中，需要在IPv4和IPv6之间进行转换，相关内容可以参考[RFC6144]和[RFC6052]。
该方案使用一种特殊地址格式，称为嵌入IPv4的IPv6地址，可采用如下的六种格式来进行编码：
其中64:ff9b::/96是一个非常有名的转换前缀，正好对应这里面的/96情况。除了知名前缀之外，也可以是组织为转换器分配的唯一前缀。标识对应的8位必须全为0，以保持与[RFC4291]指定标识符的兼容性，后缀位被保留，并且也应该设置为0。
4. IPv6组播地址
4.1 组播地址格式
IPv6中，前缀ff00::/8已被预留给组播地址，其中后面的112位可用于保存组号，如下所示。
基本的IPv6组播格式包含4个标志位：
0，保留位。R，包含会合点。P，使用单播前缀。T，临时的地址。
4位的范围值用于表示组播的范围(全球/本地等)，如下所示:
范围值描述0/3/4/6/7/9-d/f保留和未分配的值1接口和机器本地2链路和子网本地5站点本地8组织本地e全球
例如，对于IANA分配的NTP服务协议组播地址，可以跨越多个地址范围，即可变范围的组播地址ff0x::101，如下所示：
地址描述ff01::101同一机器中的所有NTP服务器ff02::101同一链路/子网中的所有NTP服务器ff04::101某些管理定义范围内的所有NTP服务器ff05::101同一站点中的所有NTP服务器ff08::101同一组织中的所有NTP服务器ff0e::101Internet中的所有NTP服务器
标志位(P/R/T)含义如下：
位字段(标志)描述R会合点标志(0-常规的，1-包括RP地址)P前缀标志(0-常规的，1-基于单播前缀的地址)T临时标志(0-永久分配的，1-临时的)
当P位设置为1时，无须基于每个组的全球性许可，可以采用以下两个方法确定地址:
基于单播前缀的IPv6组播地址分配，提前拿到一个分配的单播前缀，然后同时分配一个有效的组播地址集合。链路范围的IPv6组播，使用接口标识符，组播地址基于主机的IID标识。
P位设置为1通常也要求T位也为1，上述两种组播地址格式如下所示：
例如，一个组织分配了一个单播前缀3ffe:ffff:1::/48，同时也会分配一个基于单播的组播前缀ff3x:30:3ffe:ffff:1::/96。
x表示组播范围可以由该组织自行选择，例如链路本地(2)和组织本地(8)。3表明P和T位同时设置，这个地址是基于单播前缀的IPv6组播地址分配，并且是动态的。30是指单播地址前缀长度为48，然后后面接着单播前缀3ffe:ffff:1。
在创建唯一的链路本地范围的组播地址，可以使用接口标识符IID构建组播地址，前缀长度需要固定为255，范围只能为接口本地和链路本地。
当R和P字段设置为1时，表示组播路由协议需要知道一个会合点(RP)，即可以处理一个或者多个组播组的组播路由器的IP地址。其格式如下:
RIID字段值是RP的IP地址的低4位，其余部分用零填充。
例如，对于组播地址ff75:940:2001:db8:dead:beef:f00d:face，其范围为5(站点本地)，RIID值为9，前缀长度为64(0x40)，所以单播前缀为2001:db8:dead:beef/64，RP地址则为2001:db8:dead:beef::9。
4.1 特殊组播地址
这些地址用于IPv6协议的不同方面，包括路由协议、网络管理以及特定的网络服务。例如，ff02::1地址用于标识同一链路上的所有节点，而ff02::2用于标识同一链路上的所有路由器。Solicited-Node地址有助于IPv6邻居发现过程，它是通过在IPv6地址的最后24位前添加ff02::1:ff前缀来构造的。
组播地址范围描述ff01::1节点所有节点ff01::2节点所有路由器ff01::fb节点mDNSv6ff02::1链路所有节点ff02::2链路所有路由器ff02::4链路DVMRP路由器ff02::5链路OSPFIGPff02::6链路基于OSPFIGP设计的路由器ff02::9链路RIPng路由器ff02::a链路EIGRP路由器ff02::d链路PIM路由器ff02::16链路支持MLDv2的路由器ff02::6a链路所有探测器ff02::6d链路LL-MANET路由器ff02::fb链路mDNSv6ff02::1:2链路所有DHCP代理ff02::1:3链路LLMNRff02::1:ffxx:xxxx链路请求节点地址范围ff05::2站点站点本地作用域的所有路由器ff05::fb站点mDNSv6ff05::1:3站点所有DHCP服务器ff0x::可变的保留ff0x::fb可变的mDNSv6ff0x::101可变的NTPff0x::133可变的聚合服务器访问协议ff0x::18c可变的所有AC的地址ff3x::/32(特殊范围)SSM块
Once Day
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