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。虽然当前的网络地址转换及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,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。

IPv6能解决的核心问题与互联网当前所面临的关键问题之间出现了明显的偏差,难以给互联网的发展带来革命性的影响。与IPv4的各种地址复用解决方案相比,IPv6能够降低复杂性和成本,然而当前却只有制造商较能够感受到这个优势,用户和运营商​​无法直接感受到,导致产业链缺乏推动IPv6的动力。

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[7]。

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。

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32位地址每位可以取16个不同的值。

网络地址转换是当前减缓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。

IPv6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。
    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
  2. 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:

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
2001::25de::cade 是非法的,因为双冒号出现了两次。它有可能2 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

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。

IPv6地址的分类

IPv6地址可分为三种:

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。
以当前的应用为例,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[9]。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[10]。

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。

链路本地地址

::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。

唯一区域位域

fc00::/7-唯一区域地址(ULA,unique local address)只可在一群网站中绕送。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[11]。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)。
2001::/32-用于Teredo隧道。
2002::/16-用于6to4。

ORCHID

2001:10::/28-ORCHID (Overlay Routable Cryptographic Hash Identifiers)(RFC 4843)。这些是不可遶送的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。