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IPv6技術(shù)詳解：基本概念、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)踐（上篇）

Posted on 2018-05-18 15:14 Jack Jiang 閱讀(447) 評論(0) 編輯收藏

本文來自微信技術(shù)架構(gòu)部的原創(chuàng)技術(shù)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(qiáng)制IPV6的支持，然并卵，因?yàn)闅v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(rèn)的是，IPV6肯定是未來趨勢，做為網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域的程序員來說，詳細(xì)學(xué)習(xí)和了解IPV6是很有必要的，所謂厚積薄發(fā)，誰知道哪天IPV6真的普及了呢？那么，我們開始看正文吧。

學(xué)習(xí)交流：

- 即時通訊開發(fā)交流3群：185926912[推薦]
- 移動端IM開發(fā)入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發(fā)移動端IM》

（本文同步發(fā)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(shù)詳解：基本概念、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)踐（上篇）》（本文）
《IPv6技術(shù)詳解：基本概念、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)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(wù)院辦公廳印發(fā)了《推薦互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動計劃》，并發(fā)出通知，要求各地區(qū)各部門結(jié)合實(shí)際認(rèn)真貫徹落實(shí)。這條新聞傳達(dá)了一個很重要的信息：這個是推進(jìn)中國IPv6發(fā)展的戰(zhàn)略總動員令。

本文將會從以下幾個方面進(jìn)一步介紹IPv6，包括有：

1）IPv6的基本概念；
2）IPv6在Linux操作系統(tǒng)下的實(shí)現(xiàn)；
3）IPv6的實(shí)驗(yàn)；
4）IPv6的過渡技術(shù)介紹；
5）IPv6在Linux平臺下socket編程應(yīng)該注意的問題；
6）實(shí)現(xiàn)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(tǒng)內(nèi)核，已經(jīng)很好地支持IPv6協(xié)議棧，例如：

Windows： windows 7、windows 8.x、windows 10，默認(rèn)開啟IPv6；
Linux：內(nèi)核2.6.x、內(nèi)核3.x、內(nèi)核4.x 已經(jīng)支持IPv6（需要手動開啟）；
iOS：IOS9開始已經(jīng)支持IPv6 Only，2016年蘋果已經(jīng)強(qiáng)制要求app必須支持IPv6。

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

本文是系列文章中的上篇，主要講解IPV6的基本概念，其它內(nèi)容將在下篇《IPv6技術(shù)詳解：基本概念、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)踐（下篇）》中詳細(xì)講解。

眾所周知，32位的IPv4地址已經(jīng)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(rèn)識一下IPv6到底長成什么樣子。

4、初識IPv6

IPv6技術(shù)詳解：基本概念、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)踐（上篇）_1.png

▲ 圖1：IPv6數(shù)據(jù)報文

上圖是我們最熟悉的ping的IPv6版本ICMPv6，可以看到，IPv6數(shù)據(jù)報文和IPv4有很大的差別：

1）數(shù)據(jù)鏈路層（L2）的type字段標(biāo)識為 0x86dd，表示承載的上層協(xié)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(shù)詳解：基本概念、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)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(jié)），IPv4報文頭部是變長的。這個意味著，寫代碼處理IPv6數(shù)據(jù)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(yàn)和字段：取消這個字段也是對IPv4協(xié)議的一個改進(jìn)。當(dāng)IPv4報文在網(wǎng)路間傳輸，每經(jīng)過一個路由器轉(zhuǎn)發(fā)就是修改TTL字段，就需要重新計算校驗(yàn)和，而由于數(shù)據(jù)鏈路層L2和傳輸層L4的校驗(yàn)已經(jīng)足夠強(qiáng)壯，因此IPv6取消這個字段會提高路由器的轉(zhuǎn)發(fā)效率。值得一提的是，在IPv6協(xié)議下，傳輸層L4協(xié)議UDP、TCP是強(qiáng)制需要進(jìn)行校驗(yàn)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(xié)議類型”或者“擴(kuò)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(dāng)IPv6數(shù)據(jù)報文承載的是上層協(xié)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(dāng)不是以上3種協(xié)議類型的時候，IPv6報文頭部緊接的是擴(kuò)展頭部。擴(kuò)展頭部是IPv6引入的一個新的概念，每個IPv6的數(shù)據(jù)報文可以承載0個或多個擴(kuò)展頭部，擴(kuò)展頭部通過鏈表的形式組織起來。當(dāng)IPv6數(shù)據(jù)報文承載著擴(kuò)展頭部的時候，Next Header的數(shù)值為擴(kuò)展頭部的類型值。

為什么要引入擴(kuò)展頭部這個概念，這里也是IPv6對IPv4改進(jìn)的一個方面，用擴(kuò)展頭部取代了IPv4的可選項(xiàng)信息，精簡了IPv6的頭部，增強(qiáng)了IPv6的擴(kuò)展性。有同學(xué)會不會有疑問，IPv6的分片數(shù)據(jù)報文怎么處理？其實(shí)就是使用了IPv6擴(kuò)展頭部。我們來抓一個UDP分片報文來看看。

IPv6技術(shù)詳解：基本概念、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)踐（上篇）_3.png

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▲ 圖3：IPv6分片報文

當(dāng)發(fā)送一個分片IPv6數(shù)據(jù)報文的時候，IPv6使用的是擴(kuò)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(kuò)展頭部，擴(kuò)展頭部是IPv6分片數(shù)據(jù)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(kuò)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(rèn)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(jìn)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(jìn)制表示并用冒號分隔開，例如：
一個普通公網(wǎng)IPv6地址：2001:0D12:0000:0000:02AA:0987:FE29:9871

IPv6地址支持壓縮前導(dǎo)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(jìn)一步精簡IPv6地址，當(dāng)冒號十六進(jìn)制格式中出現(xiàn)連續(xù)幾段數(shù)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)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(jìn)行號段劃分（與鵝廠內(nèi)部一些的64位uin改造放號的zone劃分算法）。

IPv6的地址結(jié)構(gòu)如下圖：
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▲ 圖4：IPv6地址結(jié)構(gòu)

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

IPv6支持子網(wǎng)前綴標(biāo)識方法，類似于IPv4的無分類域間路由CIDR機(jī)制（注意：IPv6沒有子網(wǎng)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(wǎng)；
而2001:C3:0:2C6A:C9B4:FF12:48BC:1A22/64表示該子網(wǎng)下的一個節(jié)點(diǎn)地址。

可以看到，一個IPv6的地址有子網(wǎng)前綴+接口ID構(gòu)成，子網(wǎng)前綴由地址分配和管理機(jī)構(gòu)定義和分配，而接口ID可以由各操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生成，生成算法后面的章節(jié)會介紹。

7、IPv6的地址類型

IPv6地址分三種類型：

1）單播，對應(yīng)于IPv4的普通公網(wǎng)和私網(wǎng)地址；
2）組播，對應(yīng)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(shí)現(xiàn)廣播的功能。實(shí)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(diǎn)會講解單播地址的種類。組播和任播地址有興趣的同學(xué)自行查閱相關(guān)RFC和文獻(xiàn)。

8、IPv6單播地址

注意：大家如果在網(wǎng)上搜索IPv6的地址，可能都是千篇一律的把所有“出現(xiàn)過”的單播地址介紹出來，其實(shí)有一些單播地址類型已經(jīng)在相關(guān)的RFC中被廢除或者不建議使用，而本節(jié)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(yīng)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

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▲ 圖5：IPv6全球單播地址結(jié)構(gòu)

前綴2000::/3，相當(dāng)于IPv4的公網(wǎng)地址（IPv6的誕生根本上就是為了解決IPv4公網(wǎng)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

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▲ 圖6：鏈路本地地址結(jié)構(gòu)

前綴FE80::/10，顧名思義，此類地址用于同一鏈路上的節(jié)點(diǎn)間的通信，主要用于自動配置地址和鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)過程。Windows和Linux支持或開啟IPv6后，默認(rèn)會給網(wǎng)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(shù)詳解：基本概念、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)實(shí)踐（上篇）_6.png

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▲ 圖7：Linux下查看鏈路本地地址

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▲ 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(wǎng)/內(nèi)網(wǎng)地址對應(yīng)起來，其實(shí)鏈路本地地址對應(yīng)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(wǎng)對應(yīng)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(shù)（這是一個小坑），在后面介紹編程的章節(jié)會介紹。

8.3唯一本地地址

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▲ 圖9：唯一本地地址結(jié)構(gòu)

前綴FC00::/7，相當(dāng)于IPv4的私網(wǎng)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(wǎng)需求的單播地址類型，用來代替廢棄使用的站點(diǎn)本地地址。

可能看到這里，有同學(xué)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配公網(wǎng)IPv6的節(jié)點(diǎn)，那為什么IPv6還需要支持私網(wǎng)？這里需要談?wù)剬Pv6下私網(wǎng)支持的認(rèn)識。

在IPv4中，利用NAT技術(shù)私網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以使用統(tǒng)一的公網(wǎng)出口訪問互聯(lián)網(wǎng)資源，大大節(jié)省了IPv4公網(wǎng)地址的消耗（IPv6推進(jìn)緩慢的原因之一）。另一方面，由于默認(rèn)情況下私網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)與外界通信的發(fā)起是單向的，網(wǎng)絡(luò)訪問僅僅能從私網(wǎng)內(nèi)發(fā)起，外部發(fā)起的請求會被統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)或者防火墻阻隔掉，這樣的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)很好的保護(hù)了私網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)安全性和私密性。可以設(shè)想一下，如果鵝廠內(nèi)部每臺辦公電腦都配置了IPv6的公網(wǎng)地址上網(wǎng)，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(wǎng)，并且也需要支持NAT。在Linux內(nèi)核3.7版本開始加入對IPv6 NAT的支持，實(shí)現(xiàn)的方式和IPv4下的差別不大（Linux內(nèi)核代碼中變量和函數(shù)的命名幾乎就是ctrl+c和ctrl+v過來的-_-||）。

8.4站點(diǎn)本地地址

前綴FEC9::/48，以前是用來部署私網(wǎng)的，但RFC3879中已經(jīng)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(wǎng)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(jīng)不再使用。

8.5特殊地址：回環(huán)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(nèi)嵌IPv4地址的IPv6地址

就是在IPv6的某一些十六進(jìn)制段內(nèi)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(jié)內(nèi)嵌一個IPv4的地址，這類地址主要用于IPv6/IPv4的過渡技術(shù)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(diǎn)分十進(jìn)制的IPv4地址）。但在RFC4291中已經(jīng)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(diǎn)分十進(jìn)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(jié)點(diǎn)與IPv4節(jié)點(diǎn)通信，Linux內(nèi)核對這類地址很好地支持，在后面編程和內(nèi)核分析的章節(jié)會分析使用過程。

過渡地址：特定過渡技術(shù)地址
6to4地址、ISATAP地址、Teredo地址主要用于對應(yīng)的過渡技術(shù)的地址，在后面介紹過渡技術(shù)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(jù)RFC4291定義，接口ID可以從EUI-64地址生成：詳細(xì)算法可以查看regli同學(xué)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(jī)分配的，windows操作系統(tǒng)默認(rèn)就是使用這種生成算法，Linux下也是默認(rèn)開啟這個算法；
3）使用狀態(tài)化的自動配置技術(shù)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(xié)議。最典型的例子就是，只要開啟了IPv6協(xié)議棧的操作系統(tǒng)，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(qū)別之一。

IPv6的地址配置有以下幾種：

1）只要開啟了IPv6協(xié)議棧，接口自動分配鏈路本地地址；
2）無狀態(tài)自動配置地址（RFC2462），后面會有實(shí)驗(yàn)演示；
3）有狀態(tài)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(kuò)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(rèn)為是IPv4的擴(kuò)展，詳細(xì)可以查看RFC3596.

（—— 本文未完，下篇待續(xù) ——）

作者：Jack Jiang (點(diǎn)擊作者姓名進(jìn)入Github)
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