教程图文详解 - 下一代互联网（第七章）

一 章节分析

本章节主要是针对 IPv6 的表述，其重点为 IPv6报文格式、过度技术等。本章节考查的频率一般，通常在上午题中出现，分值通常在1～2分。

二 IPv4 问题

IPv6 的出现是因为 IPv4 有着一些问题，导致需要做出升级，其中主要的问题如下：

1. 网络地址短缺：IPv4 地址为 32 位，只能提供大约 43 亿个地址 ，其中 1/3 被美国占用。
2. 路由速度慢：随着网络规模的扩大，路由表越来越庞大，路由处理速度越来越慢。因为 IPv4 报文头有多达 13 个字段，路由器需要处理的信息量很大，而 13 个字段中部分已经可用使用软件实现。
3. 缺乏安全功能：IPv4 没有加密、认证功能（IPv6 集成了 IPsec）。
4. 不支持新的业务模式：IPv4 没有扩展字段（IPv6 支持多报头嵌套）。

三 IPv6 报文格式

IPv6 分组由一个固定头部和若干个扩展头部以及上层协议的负载组成。扩展头部是任选的，转发路由只处理与其有关的部分，这样就简化了路由器的转发操作，加速了路由处理的速度。

3.1 报文格式

下图 a 展示了 IPv6 协议数据单元的格式，b 中则展示了固定的头部：

1. 版本（4位）：用0110 指示卫第六版。
2. 通信类型(8位)：这个字段用于区分不同的卫分组，相当于Iv4 中的服务类型字段，目前没有运用到。
3. 流标记（20 位)：原发主机用该字段来标识某些需要特别处理的分组，目前没有运用到。
4. 负载长度（16 位)：表示除了 IPV6 固定头部40个字节之外的负载长度，扩展头包含
   在负载长度之中。
5. 下一头部（8 位)：指明下一个头部的类型，可能是Dv6的扩展头部，也可能是高层
   协议的头部。
6. 跳数限制（8位)：用于检测路由循环，每个转发路由器对这个字段减1，如果变成 0，
   分组被丢弃。 （类似 IPv4 中 TTL字段）
7. 源地址（128位)：发送节点的地址。
8. 目标地址（128位）：接收节点的地址。

3.2 扩展头部

IPv6 有 6 种扩展头部，都是任选的。扩展头部的作用是保留了 IPv4 的某些字段的功能，但只有由特定的网络设备来检查处理，不是每个设备都要处理。

其中 0代表逐跳选项（该选项是必须记住的）、60代表目标选项、43代表路由选择、44代表分段、51代表认证、50代表封装安全负荷、59代表没有下一个头部。

3.3 历年真题

1. 2019 上半年
IPv6 基本首部的长度为（B）字节，其中与 IPv4 种 TTL 字段对应的是（）字段。
A. 20 B. 40 C. 64 D. 128
A. 负载长度 B. 通信类型 C. 跳数限制 D. 下一首部

2. 2018 上半年
IPv6 协议数据单元由一个固定头部和者干个扩展头部以及上层协议提供的负载组成，其中用于表示松散源路由功能的扩展头是(B)。如果有多个扩展头部，第一个扩展头部为(A)。
A.目标头部 B.路由选择头部 C.分段头部 D.安全封装负荷头部
A.逐跳头部 B.路由选择头部 C.分段头部 D.认证头部

四 IPv6 地址

IPv6 有 128 位，采用冒号分割的十六进制数表示。总共八组组，每一组共四个十六进制数。如：8000:0000:0000:0000:0123:4567:89AB:CDEF。

4.1 格式前缀

IPv6 地址的格式前级 (Format Prefix, FP）用于表示地址类型或子网地址，用类似于 IPv4 CIDR 的方法可表示为“IPV6地址/前缀长度”的式。

简写规范：

1. 每组数字前面的 0 可以省去，如：0123 可以简写为123。
2. 有效 0 不能省去，如1023 不能简写为 123。
3. 一个或多个组全为 0 可以用一对 :: 代替，但是只能出现一次。

例如60 位的地址前级 12AB00000000CD3，有下列几种合法的表示形式：
12AB:0000:0000:CD30:0000:0000:0000:0000/60
12AB::CD30:0:0:0:0/60
12AB:0:0:CD30::/60

下面的表示形式是不合法的：
12AB:0:0:CD3/60（在16位的字段中可以省掉前面的 0，但不能省掉后面的0）
12AB:CD30/60（这种表示可展开为 12AB:0000:0000:0000:0000:0000:0000:CD30）
12AB::CD3/60（这种表示可展开为 12AB:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0CD3）

一般来说，节点地址与其子网前级组合起来可采用紧缩形式表示，例如节点地址：12AB:0:0:CD30:123:4567:89AB:CDEF，若其子网号为 12AB:0:0:CD30:/60，则等价的写法是 12AB:0:0:CD30:123:4567:89AB:CDEF/60。

4.2 地址分类

单播地址（Unicast）

1. 不确定地址：地址0:0:0:0:0:0:0:0 称为不确定地址，不能分配给任何节点。
2. 回环地址：地址0:0:0:0:0:0:0:1 称为回环地址。

任意播地址（Anycast）
表示一组接口的标识符，通常是路由距离最近的接口

1. 任意播地址不能用作源地址，而只能作为目标地址。
2. 任意播地址不能指定给IPV6 主机，只能指定给IPv6 路由器。

组播地址（Multicast）

1. 发往组播地址的分组被传送给该地址标识的所有接口。
2. IPv6 中没有广播地址，它的功能已被组播地址所代替。

4.3 单播地址

IPv6 单播地址包括可聚合全球单播地址、链路本地地址、站点本地地址和其他特殊单播地址。

1. 可聚合全球单播地址

报文前缀为 001，这种地址在全球范围内有效，相当于 IPv4 的公用地址。

2. 链路本地地址

报文前缀为 1111 1110 10，用于同一链路的相邻节点间的通信。链路本地地址相当于IPv4 中的自动专用IP地址(APIPA），可用于邻居发现，并且总是自动配置的（结合 MAC 地址自动生成），包含链路本地地址的分组不会被路由器转发。

3. 站点本地地址

报文前缀为 1111 1110 11，相当于IPV4 中的私网地址。如果企业内部网没有连接到 Internet 上，则可以使用这种地址。站点本地地址不能被其他站点访问，包含这种地址的分组也不会被路由器转发到站点之外。

对于上面三种地址报文前缀可以用这样的口诀记住：1聚2链3站， 001 化为十进制为 1；010 为 2； 011 为 3.

4.4 组播地址

IPv6组播可以将数据报传输给组内的所有成员。IPv6 组播地址的报文前缀为 1111 1111，此外还包括标志(Flags）、范围和组 口D 等字段，如下图所示：

4.6 任意播地址

任意播地址仅用作目标地址，且只能分配给路由器。任意播地址是在单播地址空间中分配的。

一个子网内的所有路由器接口都被分配了子网-路由器任意播地址。子网-路由器任意播地址必须在子网前级中进行预定义。为构造一个子网路由器任意播地址，子网前缀必须固定，其余位置全“0”，

4.7 历年真题

1. 2017 上半年
IPv6链路本地单播地址的前缀为（B)，可聚集全球单播地址的前缀为（A)。
A. 001 B. 1111 1110 10 C. 1111 111011 D. 1111 1111
A. 001 B. 1111 1110 10 C. 1111 111011 D. 1111 1111

口诀：1聚2链3站

2. 2015 下半年
IPv6地址的格式前缀（FP）用于表示（B）。为实现IP地址的自动配置，IPv6主机将（C）附加在地址前级1111111010之后，产生一个链路本地地址，如果通过了邻居发现协议的验证，则表明自我配置的链路本地地址是有效的。

A. 地区号 B. 地址类型或子网地址 C.网络类型 D. 播送方式或子网号
A. 32位二进制随机数 B.主机名字 C. 网卡MAC地址 D. IPv4地址

五 IPv6 路由协议

本小节记住有哪些路由协议即可。

1. RIPng
2. OSPFv3
3. BgP 4+
4. ICMPv6（新增加的邻居发现功能代替了 IPv4 中 ARP 协议）

六 过渡技术

本节主要是 IPv4 向 IPv6 过渡的技术，主要分为以下三种：

1. 隧道技术：用于解决 IPv6 节点之间通过 IPv4 网络进行通信的问题。
2. 双协议栈技术：IPv6和IPv4 可用共存同一个设备和网络中。
3. 翻译技术：纯IPv6节点与纯IPv4节点之间可以进行通信。

6.1 隧道技术

把IPv6 分组封装到 IPv4 分组中，通过 IPv4 网络进行转发的技术。这种隧道就像一条虚拟的 IPv6 链路一样，可以把IPv6 分组从 IPv4 网络的一端传送到另一端，在传送期间对原始 IPv6 分组不做任何改变。在隧道两端进行封装和解封的网络节点可以是主机，也可以是路由器。根据隧道端节点的不同，可以分为下面4种不同的隧道：

1. 主机到主机的隧道。
2. 主机到路由器的隧道。
3. 路由器到路由器的隧道。
4. 路由器到主机的隧道。

1. 隧道中介技术

IPv6 分组通过 IPv4 隧道传送方法。

大型网络可以使用隧道中介（Tunnel Broker）：

2. 自动隧道

实现自动隧道的节点必须采用 IPv4 兼容的 IPv6 地址。

6.2 协议翻译技术

协议翻译技术用于纯 IPv6 主机与纯 IPv4 主机之间的通信，常用的方法：SIIT 和 NAT-PT。

1. SIIT
   
2. NAT-PT
   

6.3 双协议栈技术

双栈技术适用于同时实现了 IPv6 和 IPv4 两个协议栈的主机之间进行通信。在这种情况下，当主机发起通信时，DNS 服务器将同时提供 IPv6 和 IPv4 两种地址，主机将根据具体情况使用适当的协议来建立通信。

在服务器一边要同时监听卫PV4 和卫V6 两种端口。这种技术要求每个主机要有一个 IPv4地址，IPv4 主机使用IPV6 应用不存在任何问题。双栈主机有下面两种方法：

1. RFC 2767(2000)定义的 BIS (Bump-In-the-Stack)。
2. RFC 3338（2002)定义的 BIA (Bump-In-the-API)。

6.4 历年真题

1. 2015 上半年

IPv6站点通过IPv4网络通信需要使用隧道技术，常用的3种自动隧道技术是（B）。
A. VPN隧道、PPTP隧道和IPsec隧道 B. 6t04隧道、6over4隧道和ISATAP隧道
C. VPN隧道、PPP隧道和ISATAP隧道 D. IPsec隧道、6over4隧道和PPTP隧道

2. 2013 下半年
在 IPv4 向 IPv6 的过渡期间，如果要使得两个IPv6结点可以通过现有的IPv4网络进行通信，则应该使用（ C)；如果要使得纯 IPv6 结点可以与纯 IPv4 结点进行通信，则需要使（D)。
A.堆栈技术 B.双协议栈技术 C. 隧道技术 D.翻译技术
A.堆栈技术 B.双协议栈技术 C. 隧道技术 D.翻译技术

七 章节总结

本章节讲述了 ：

1. IPv4 的缺点、IPv6 的报文格式。
2. 地址分类：单播、组播、任意播，单播分三类：口诀1聚2链3站。
3. 过渡技术：隧道技术、双栈技术、翻译技术。