IPv6协议及其应用综述

什么是IPv6？

IPv6是Internet Protocol Version 6的缩写，其中Internet Protocol译为“互联网协议”。IPv6是IETF（互联网工程任务组，Internet Engineering Task Force）设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议。目前IP协议的版本号是4（简称为IPv4），它的下一个版本就是IPv6。

IPv6的特点

1. IPV6地址长度为128位，地址空间增加了2^128-2^32个。

2. 灵活的IP报文头部格式。使用一系列固定格式的扩展头部取代了IPV4中可变长度的选项字段。IPV6中选项部分的出现方式也有所变化，使路由器可以简单路过选项而不做任何处理，加快了报文处理速度；

3. IPV6简化了报文头部格式，字段只有8个，加快报文转发，提高了吞吐量；

4. 提高安全性。身份认证和隐私权是IPV6的关键特性；

5. 支持更多的服务类型；

6. 允许协议继续演变，增加新的功能，使之适应未来技术的发展；

IPv6地址的分类

• 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投送给其接口。IPv6的单播地址可以有一个代表特殊地址名字的范畴，如link-local地址和唯一区域地址（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：Anycast是IPv6特有的数据发送方式，它像是IPv4的Unicast（单点传播）与Broadcast（多点广播）的综合。IPv4支持单点传播和多点广播，单点广播在来源和目的地间直接进行通讯；多点广播存在于单一来源和多个目的地进行通讯。
  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栏表，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。以目前的应用为例，Anycast地址只能分配给路由器，不能分配给电脑使用，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位会组成多播组群识别码，不过因为传统方法是从MAC地址产生，故只有组群识别码中的最低32位有使用。定义过的组群识别码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和剩余的组群识别码（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。

IPv6和域名系统

Pv6地址在域名系统中为执行正向解析表示为AAAA记录（所谓4A记录，类似的IPv4表示为A记录A records）；反向解析在ip6.arpa（原先ip6.int）下进行，在这里地址空间为半字节16进制数字格式。这种模式在RFC 3596给与了定义。

AAAA模式是IPv6结构设计时的两种提议之一。另外一种正向解析为A6记录并且有一些其他的创新像二进制串标签和DNAME记录等。RFC 2874和它的一些引用中定义了这种模式。

AAAA模式只是IPv6域名系统的简单概括，A6模式使域名系统中检查更全面，也因此更复杂：

• A6记录允许一个IPv6地址在分散于多个记录中，或许在不同的区域；举例来说，这就在原则上允许网络的快速重编号。

• 使用域名系统记录委派地址被DNAME记录（类似于现有的CNAME，不过是重命名整棵树）所替换。

• 一种新的叫做比特标签的类型被引入，主要用于反向解析。

2002年8月的RFC 3363中对AAAA模式给与了有效的标准化（在RFC 3364有着对于两种模式优缺点的更深入的讨论）。

转换机制

• 双堆栈：双堆栈（Dual IP stack implementation）是将IPv6视为一种IPv4的延伸，以共享代码的方式去实现网络堆栈，其可以同时支持IPv4和IPv6，如此是相对较为容易的。如此的实现称为双堆栈，并且，一个实现双堆栈的主机称为双堆栈主机。这步骤描述于RFC 4213。目前大部分IPv6的实现使用双堆栈。一些早期实验性实现使用独立的IPv4和IPv6堆栈。

• 通道：通道（Tunneling）是另一个用来链接IPv4与IPv6的机制。为了连通IPv6互联网，一个孤立主机或网络需要使用现存IPv4的基础设施来携带IPv6数据包。这可由将IPv6数据包装入IPv4数据包的通道协议来完成，实际上就是将IPv4当成IPv6的链接层。IP协议号码的41号用来标示将IPv6数据讯框直接装入IPv4数据包。IPv6亦能加入UDP数据包，如为了跨过一些会阻挡协议41交通的路由器或NAT设备。其它流行的封装机制则有AYIYA和GRE。

  • 自动通道：自动通道（Automatic tunneling）指路由设施自动决定通道端点的技术。RFC 3056建议使用6to4隧道技术来自动通道，其会使用41协议来封装。通道端点是由远程知名的IPv4任播地址所决定，并在本地端嵌入IPv4位址信息到IPv6中。现今6to4是广泛布署的。
    Teredo是使用UDP封装的通道技术，据称可跨越多个NAT设备。Teredo并非广泛用于布署的，但一个实验性版本的Teredo已安装于Windows XP SP2 IPv6堆栈中。IPv6，包含6to4通道和Teredo通道，在Windows Vista中默认是引导的。许多Unix系统只支持本地的6to4，但Teredo可由如Miredoo的第三方软件来提供。ISATAP[借由将IPv4位址对应到IPv6的link-local地址，从而将IPv4网络视为一种虚拟的IPv6区域连接。不像6to4和Teredo是站点间的通道机制，ISATAP是一种站点内机制，意味着它是用来设计提供在一个组织内节点之间的IPv6连接性。

  • 配置通道：在配置通道中，如6in4通道隧，通道端点是要明确配置过的，可以是借由管理员手动或操作系统的配置机制，或者借由如tunnel broker等的自动服务。配置通道通常比自动通道更容易去除错，故建议用于大型且良好管理的网络。配置通道在IPv4隧道上，使用网际协议中号码的41号。

应用及前景

在IPv4下，根据IP查人也比较麻烦，电信局要保留一段时间的上网日志才行，通常因为数据量很大，运营商只保留三个月左右的上网日志，比如查前年某个IP发帖子的用户就不能实现。

IPv6的出现可以从技术上一劳永逸地解决实名制这个问题，因为那时IP资源将不再紧张，运营商有足够多的IP资源，那时候，运营商在受理入网申请的时候，可以直接给该用户分配一个固定IP地址，这样实际就实现了实名制，也就是一个真实用户和一个IP地址的一一对应。
当一个上网用户的IP固定了之后，你任何时间做的任何事情都和一个唯一IP绑定，你在网络上做的任何事情在任何时间段内都有据可查，并且无法否认。

IPv6一个重要的应用是网络实名制下的互联网身份证，目前基于IPv4的网络因为IP资源不够， IP和上网用户无法实现一一对应，所以难以实现网络实名制。

IPv6的广泛部署依赖于未来因特网的良好发展，目前IPv4的规范大部分已经完成，但广泛部署的条件还有待进一步成熟，在保持目前IPv4网络良好运行的同时，对IPv6新技术的测试和实验应加快进行，并在一个较短的过程中，从IPv4网络过渡到IPv6网络。当然，IPv6部署的最关键因素是应用。3G业务、IP电信网、个人智能终端、家庭网络 ，这些现在听起来还很新鲜的名词，相信随着IPv6协议的不断推广会走入寻常百姓家。

现在网络设备的投资仍然制约着IPv6协议的迅速推广。用于制造计算机芯片的单晶硅资源也在不断枯竭。目前已经有一些材料科学家在讨论，是否可以用纳米级的工程陶瓷替代单晶硅制造计算机芯片等一系列的设备硬件。如果在未来能研发出合适的纳米级工程陶瓷用以替代单晶硅制造计算机芯片等一系列的设备硬件，降低设备成本，那么将会推进IPv6协议的进一步推广和应用。

IPv6的优势

与IPV4相比，IPV6具有以下几个优势：

1. IPv6具有更大的地址空间。IPv4中规定IP地址长度为32，最大地址个数为2^32；而IPv6中IP地址的长度为128，即最大地址个数为2^128。与32位地址空间相比，其地址空间增加了2^128-2^32个。
   现在，IPv4采用32位地址长度，约有43亿地址，而IPv6采用128位地址长度可以忽略不计无限制的地址，有足够的地址资源。地址的丰富将完全删除在IPv4互联网应用上有很多的限制，如IP地址，每一个电话，每一个带电的东西可以有一个IP地址，与真正形成一个数字家庭的家庭。IPv6的技术优势，目前在一定程度上解决IPv4互联网存在的问题，这使得IPv4向IPv6演进的重要动力之一。

2. IPv6使用更小的路由表。IPv6的地址分配一开始就遵循聚类（Aggregation）的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录（Entry）表示一片子网，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。

3. IPv6增加了增强的组播（Multicast）支持以及对流的控制（Flow Control），这使得网络上的多媒体
   应用有了长足发展的机会，为服务质量（QoS，Quality of Service）控制提供了良好的网络平台。

4. IPv6加入了对自动配置（Auto Configuration）的支持。这是对DHCP协议的改进和扩展，使得网络（尤其是局域网）的管理更加方便和快捷。

5. IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，在IPV6中的加密与鉴别选项提供了分组的保密性与完整性。极大的增强了网络的安全性。

6. 允许扩充。如果新的技术或应用需要时，IPV6允许协议进行扩充。

7. 更好的头部格式。IPV6使用新的头部格式，其选项与基本头部分开，如果需要，可将选项插入到基本头部与上层数据之间。这就简化和加速了路由选择过程，因为大多数的选项不需要由路由选择。

8. 新的选项。IPV6有一些新的选项来实现附加的功能。

IPv6的实际应用

编址

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，就像下面章节所描述的，有128位长；IPv6地址的表达形式一般采用32个十六进制数。

IPv6中可能的地址有3.4×10^38个。也可以想象为16个因为32位地址每位可以取16个不同的值。

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地址表示：

IPv6地址为128位长，但通常写作8组，每组为四个十六进制数的形式。

寻址

十六进制

这是首选形式 n:n:n:n:n:n:n:n。每个 n 都表示4个 16 位地址元素之一的十六进制值。例如：3FFE:FFFF:7654:FEDA:1245:BA98:3210:4562.

压缩形式

由于地址长度要求，地址包含由零组成的长字符串的情况十分常见。为了简化对这些地址的写入，可以使用压缩形式，在这一压缩形式中，多个 0 块的单个连续序列由双冒号符号 (::) 表示。此符号只能在地址中出现一次。例如，多路广播地址 FFED:0:0:0:0:BA98:3210:4562 的压缩形式为 FFED::BA98:3210:4562。

单播地址 3FFE:FFFF:0:0:8:800:20C4:0 的压缩形式为 3FFE:FFFF::8:800:20C4:0。环回地址0:0:0:0:0:0:0:1 的压缩形式为 ::1。未指定的地址 0:0:0:0:0:0:0:0 的压缩形式为 ::。

混合形式

此形式组合 IPv4 和 IPv6 地址。在此情况下，地址格式为 n:n:n:n:n:n:d.d.d.d，其中每个 n 都表示4个 IPv6 高序位 16 位地址元素之一的十六进制值，每个 d 都表示 IPv4 地址的十进制值。

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