IPv6 基础

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IPv6 IPv6的全称是”Internet Protocol Version 6”，它不是在IPv4做了小的修改，而是彻底改变了协议框架，应该被当成新的协议来学习。最近看到一篇很好的文章IPv6 Cheat Sheet，其中还包含了说明视频，这里做下笔记。

为什么要从 IPv4 到 IPv6?

  • IPv4 的长度为 32 位，网络地址资源严重不足，限制了互联网发展。

  • IPv6 的长度为 128 位，“可以为每一粒沙子设置一个 ip 地址”
  • IPv6 使用更小的路由表，地址分配一开始就遵循聚原则，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发数据包的速度
  • IPv6 增加了增强的组播（Multicast）支持以及对流的控制（Flow Control），对多媒体应用更友好
  • IPv6 加入了对自动配置（Auto Configuration）的支持，使局域网配置管理更加方便

地址长度和格式

IPv6 地址有 128 位(16 字节)，将其分为 8 组、每组 2 字节，这 2 字节由四个十六进制表示，组被:分割：

1
 
fddd:f00d:cafe:0000:0000:0000:0000:0001

过多的0不利于阅读，可以用0表示0000的组，同时省略组内的左边的先导0：

1
 
fddd:f00d:cafe:0:0:0:0:1

如果有多个组为0，则可以用::直接省略中间的0组：

1
 
fddd:f00d:cafe::1

但是，上面的这种省略只能用一次，否则可能造成歧义：

1
2
3
4
 
00ff:0000:0000:0000:0001:0000:0000:0001 (full)
ff:0:0:0:1:0:0:1 (correct)
ff::1:0:0:1 (correct)
ff::1::1 (ambiguous, wrong)
  • 根据RFC 5952协议，ff:0:0:0:1::1也是错的。利用::进行省略时，应省略最长的连续0组。而这里省略了后边较短的组。

协议类型

协议号 协议类型 用途
6 TCP(v6) 有状态——确认数据包是否送达，用于可靠通信
17 UDP(v6) 无状态——不保证包是否送达，适用于流媒体、VoIP 拨号等
58 IPv6-ICMP 网络本身的控制消息传输，错误报告、网络诊断等
  • UDP(User Datagram Protocol)
  • TCP(Transmission Control Protocol)

  • ICMP(Internet Control Message Protocol)

  • 协议类型写在 IPv6 数据包头中

设置 IPv6 地址的方法

  • Static(静态设置)，直接设置给网卡
  • SLAAC(Stateless Address Auto-Configuration)，主机自动生成(从无到有，所以是”无状态”)
    • IPv4 没有这个功能
  • DHCPv6(Dynamic Host Configuration Protocol)，从 DHCP 服务器取得设置

作用域和特殊地址

在世界网络中，我们的地址根据作用域而不同。

  • GLOBAL 整个 internet
  • UNIQUE LOCAL 局域网(LAN，在网关之下)
  • LINK LOCAL 无需路由可直连(在同一交换机下)

  • LOCALHOST 主机自己

  • ISP(Internet Service Provider) 网络服务商提供最前面的一段 IPv6 前缀，标记一个子网
    • 由 IANA(Internet Assigned Number Authority) 将管理这些前缀
    • CIDR(Classless Inter-Domain Routine)标记fc00::/7表示前面 7 位是最重要的，是本子网的前缀
    • CIDR 后面的数字越大，代表当前子网是越下级的子网

特殊地址(单播)： | range | Purpose | | ——- | —————————- | | ::1/128 | Loopback Address (localhost) | | ::/128 |Unspecified Address| | 2000::/3| GLOBAL Unicast (Internet)| |fc00::7| Unique-Local (LAN) | |fe80::/10| Link-Local Unicast (Same switch)|

  • 通信时应尽量用最小范围的地址进行通信，避免复杂路由
  • 一个网卡可以根据不同作用域设置不同地址，最终可以绑定多个地址，这是正常的

子网分配

subnet

以上面这个 IPv6 地址为例，前面 64 位是网络分区部分，后面 64 位是主机地址部分。在网络分区部分中，前面 48 位是路由前缀，后面 16 位是子网ID或子网地址。

Network+Subnet = Prefix

以2003:1000:1000:1600:1234::1为例，其完整格式是2003:1000:1000:1600:1234:0000:0000:0001，由下面几段组成：

  • 2003:1000:1000:1600 前缀(由路由前缀 + 子网 ID 组成)
  • 2003:1000:1000 Routing Prefix(路由前缀)，也可以叫路由网络地址
  • 1600 子网 ID，也可以叫子网地址

如果我的 ISP(网络服务提供商)提供给我一个前缀(例如2003:1000:1000:1600/56)，那么它授权给我们的子网段1600~16FF(包含 256 个子网)就可以我自己分配了。

在 URL 中使用 IPv6

  • 在浏览器地址中 IPv6 地址要放在[...]中，如http://[2a00:1450:4001:82a::2004]:80

相关工具

  • ping6 ping 联通检查
  • traceroute6 路由信息查看
  • ping -6 在原有工具加上-6flag，也可以实现相同功能
  • scp 注意在 scp 中加入[]时，由于在 bash 中是特殊字符，要加\[转义

Multicast(多播)

前面我们已经学习了如何让两个主机之间通信，这种通信叫做Unicast(单播)。从一个节点向多个节点发出消息叫做Multicast(多播)。

  • 使用 Multicast 的场景：
    • 一个节点想要和外网相连，这是进行一下广播寻找路由器，路由器会返回结果，告诉它网络前缀和 DNS 服务器地址。
    • 当前主机已经通过 SLAAC 设置一个自己的 IPv6 地址，想要在当前子网广播确认一下自己的地址是否重复，这种广播叫DAD(Duplicate Address Detection)，如果没有收到别人的响应，则表示没有重复。

link-local 范围内的多播地址：

Range Purpose
ff02::1 同网段下的所有节点
ff02::2 同网段下的所有路由器
ff02::fb mDNSv6
ff02::1:2 所有 DHCP 服务器和代理
ff02::101 所有 NTP 服务器

完整的多播地址可参考：IANA

你可以试着 ping 一下上面这些地址，如ping6 ff02::1

ICMP(Internet Control Messages Protocol) 消息类型

ICMP 通过消息类型区分，而不是像通常的协议那样通过端口号区分。致命/重要的类型数值为[1, 127]，而[128, ...)是普通消息类型。每个类型都可以有多个子类型，以code注明。

常用 IPv6 ICMP 类型：

Type Code Purpose
0   保留
1   目标不可达
1 0 到目标无路由
1 2 超出要求的地址范围
3   次数超限
3 0 中转跳跃次数超限
Type Code Purpose
128 0 回复请求(“ping”)
129 0 回复
133 0 路由征集
134 0 路由通告
135 0 邻居征集
136 0 邻居通告

更完整的信息参考：IANA-ICMPv6 Parameters

DHCPv6(Dynamic Host Configuration Protocol)

IPv6 地址可以被 DHCP 服务器分发。如果一个主机想通过 DHCP 服务器获得 IP 地址，可以向多播地址ff02::1:2(DHCP 服务器和代理)发出DHCP 征集，发送时用 UDP 协议 546->547 端口。 然后 DHCP 服务器会反向(UDP 547->546 端口)发出DHCP 通告，通告中包含了是否允许主机保留 SLAAC 地址等信息。 最终客户端向 DHCP 服务器发出DHCP 请求，而服务器响应DHCP 响应，结束申请过程。

更多细节请查看：DHCPv6-wiki

DHCPv6 vs. SLAAC

根据不同的路由和客户端配置，客户端可能最终设置多个地址，包括 SLAAC 和 DHCP 获得的。下面显示了可能组合：

dhcp_slaac.jpg

使用 WireShark

为了更好地理解 IPv6，可以用抓包工具 WireShark 打印出 IP 数据包。下面是一些抓取 ICMP 和 DHCP 过滤条件：

  • icmpv6 and (icmpv6.type==128) or (icmpv6.type==129) 过滤出 ping 和 ping 的回复
  • icmpv6 and (icmpv6.type==133) or (icmpv6.type==134) 过滤出路由征集和路由通告
  • dhcpv6 过滤出 DHCPv6 的相关通信
  • dhcpv6 or (icmpv6 and (icmpv6.type==134) or (icmpv6.type==133)) 综合上面的过滤结果

Unicast(单播) vs. Multicast(多播) vs. Broadcast(广播) vs. Anycast(任意播)

上面这些都是消息发送类型，可以有一个节点发到交换机或路由器处理。

  • Unicast(单播)，一对一发送，需要发送者指定目标 ip
  • Broadcast(广播)，对全部发送，在一个广播范围内的全部节点都会收到
  • Multicast(多播)，要先有特定一些节点订阅了一个多播组，单个节点再在发送时指定组号，只有组内节点会收到消息
  • Anycast(任意播)，更像是”应急号”，就近(较快)的单个订阅者收到后就不再传播，如果就近没有收到，更远一点的就近接收者才可能收到