原创 IPv6协议——互联网通信协议

引言

IPv6是互联网升级演进的必然趋势、网络技术创新的重要方向、网络强国建设的基础支撑。近些年，随着我国大力推动IPv6规模部署和应用，目前中国的IPv6渗透率已超过70%。

对于车载以太网来说，目前IPv4是车载IP通信的主流协议，但随着车辆的智能化、网联化程度不断提高，IPv6协议应用在车载以太网是一种未来趋势。

那IPv6是什么呢，它包含哪些内容呢，带着这些疑问本文将带领读者认识IPv6。对于引言提到的IPv4协议，有想了解的读者可以阅读上一篇文章《IPv4协议——互联网通信协议第四版》。

为什么需要IPv6协议

IPv6协议（Internet Protocol version 6）——互联网通信协议第六版，是互联网工程任务组（IETF）设计的用于替代IPv4的下一代IP协议。IPv6的出现和普及可以有效地解决IPv4地址枯竭问题。

为什么没有IPv5

IPv5曾被提出并设计用于多媒体传输，‌但由于其地址限制、‌缺乏广泛标准化和支持以及实际应用中存在的问题，‌IPv5并没有成为广泛应用的互联网协议。‌相反，‌IPv6作为更先进的协议，‌成功地满足了未来互联网的需求，‌成为了下一代互联网协议的标准。

IPv6地址表示方法

IPv6地址长度为128位，每16位地址为一组，通常分为8组，每组十六进制数间用冒号分隔，例如：ABCD:EF01:2345:6789:ABCD:EF01:2345:6789。

RFC2373标准中规定了IPv6的规范文本表示形式：

1. 每组中的前导“0”都可以省略，2001:0DB8:0000:0023:0008:0800:200C:417A可写为2001:DB8:0:23:8:800:200C:417A。
2. 地址中包含的连续两个或多个均为0的组，可以用双冒号“::”来代替，FF01:0:0:0:0:0:0:1101可写为FF01::1101。
3. 在一个IPv6地址中只能使用一次双冒号“::”，否则当计算机将压缩后的地址恢复成128位时，无法确定每个“::”代表0的个数。

IPv6地址类型

IPv6协议主要定义了三种地址类型：单播地址、组播地址和任播地址。与IPv4地址类型比较，IPv6新增了任播地址，取消了IPv4的广播地址。但在IPv6协议中，广播功能是通过组播来完成的。

单播地址

用来唯一标识一个接口，类似于IPv4中的单播地址。发送到单播地址的数据报文将被传送给此地址所标识的一个接口。

目前常用的单播地址有：未指定地址、环回地址、链路本地地址、唯一本地地址、全局单播地址。

1. 未指定地址（0:0:0:0:0:0:0:0/128或::/128）：仅用于表示某个地址不存在，等同于IPv4未指定地址0.0.0.0。未指定地址通常被用做尝试验证暂定地址唯一性数据包的源地址，并且永远不会指派给某个接口或被用做目标地址。

2. 环回地址（0:0:0:0:0:0:0:1/128或::1/128）：用于标识环回接口，允许节点将数据包发送给自己，等同于IPv4环回地址127.0.0.1。

3. 链路本地地址（FE80::/10）：仅用于单个链路（链路层不能跨VLAN），不能在不同子网中路由。

4. 唯一本地地址（FC00::/7、FD00::/8和FC00::/8）：唯一本地地址是本地全局的，它应用于本地通信，但不通过Internet路由，将其范围限制为组织的边界。

5. 全局单播地址：等同于IPv4中的公网地址，可以在IPv6 Internet上进行全局路由和访问。这种地址类型允许路由前缀的聚合，从而限制了全球路由表项的数量。

组播地址

用来标识一组接口（通常这组接口属于不同的节点），类似于IPv4中的组播地址。发送到组播地址的数据报文被传送给此地址所标识的所有接口。

IPv6组播地址的最高的8位固定为1111 1111，如FF00::/8。

任播地址

用来标识一组接口（通常这组接口属于不同的节点）。发送到任播地址的数据报文被传送给此地址所标识的一组接口中距离源节点最近（根据使用的路由协议进行定义）的一个接口。

一个任播地址必须不能用作IPv6数据包的源地址，也不能分配给IPv6主机，仅可以分配给IPv6路由器。

IPv6报头格式

IPv6报文分为IPv6报头（长度固定为40字节）、扩展报头和数据部分。其中，扩展报头是可选报头，可能存在0个、1个或多个。

IPv6报头结构如下图所示：

-版本号（Version）

4bits，表示当前IP协议版本号，此处协议版本号为IPv6(6)。

-流量等级（Traffic Class）

8bits，用于识别和区分IPv6报文的不同类别或优先级。

-流标签（Flow Label）

20bits，用来标识同一个流里面的报文，对于不支持Flow Label字段功能的主机或路由器，需要在发起报文时将该字段设置为零，在转发报文时不修改该字段，在接收报文时忽略该字段。

-载荷长度（Payload Length）

16bits，IPv6有效载荷长度，包含扩展报头和数据部分的长度。

-下一报头（Next Header）

8bits，标识紧跟在IPv6报头后的报头类型。

-跳数限制（Hop Limit）

8bits，该字段类似于IPv4中的TTL，每次转发跳数减一，该字段达到0时包将会被丢弃。

-源地址（Source Address）

128bits，标识该IPv6报文的源地址。

-目标地址（Destination Address）

128bits，标识该IPv6报文的目标地址。

IPv6扩展报头

IPv6报文中不再有“选项”字段，而是通过“下一报头”字段配合IPv6扩展报头来实现选项的功能。使用扩展头时，将在IPv6报文下一报头字段表明首个扩展报头的类型，再根据该类型对扩展报头进行读取与处理。每个扩展报头同样包含下一报头字段，若接下来有其他扩展报头，即在该字段中继续标明接下来的扩展报头的类型，从而达到添加连续多个扩展报头的目的。在最后一个扩展报头的下一报头字段中，则标明该报文上层协议的类型，用以读取上层协议数据。

IPv6扩展头使用示例

使用协议

地址配置协议

IPv6使用两种地址自动配置协议，分别为无状态地址自动配置协议（SLAAC）和IPv6动态主机配置协议（DHCPv6）。SLAAC不需要服务器对地址进行管理，主机直接根据网络中的路由器通告信息与本机MAC地址结合计算出本机IPv6地址，实现地址自动配置；DHCPv6由DHCPv6服务器管理地址池，用户主机从服务器请求并获取IPv6地址及其他信息，达到地址自动配置的目的。

1. 无状态地址自动配置

无状态地址自动配置的核心是不需要额外的服务器管理地址状态，主机可自行计算地址进行地址自动配置，包括4个基本步骤：

（1）链路本地地址配置。主机计算本地地址。
（2）重复地址检测，确定当前地址唯一。
（3）全局前缀获取，主机计算全局地址。
（4）前缀重新编址，主机改变全局地址。

2. IPv6动态主机配置协议

IPv6动态主机配置协议DHCPv6是由IPv4场景下的DHCP发展而来。客户端通过向DHCP服务器发出申请来获取本机IP地址并进行自动配置，DHCP服务器负责管理并维护地址池以及地址与客户端的映射信息。

DHCPv6在DHCP的基础上，进行了一定的改进与扩充。其中包含3种角色：DHCPv6客户端，用于动态获取IPv6地址、IPv6前缀或其他网络配置参数；DHCPv6服务器，负责为DHCPv6客户端分配IPv6地址、IPv6前缀和其他配置参数；DHCPv6中继，它是一个转发设备。

路由协议

与IPv4相同，IPv6路由协议同样分成内部网关协议（IGP）与外部网关协议（EGP），其中IGP包括由RIP变化而来的RIPng，由OSPF变化而来的OSPFv3，以及IS-IS协议变化而来的IS-ISv6。EGP则主要是由BGP变化而来的BGP4+。本文不对IPv6的路由协议作更进一步展开说明，如果各位对文章中提到的IPv6路由协议内容感兴趣的，可以去网上搜索相关知识点学习拓展。

优势特点

与IPv4相比，IPv6具有以下几个优势：

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232；而IPv6中IP地址的长度为128，即最大地址个数为2128。与32位地址空间相比，其地址空间增加了2128-232个。

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

IPv6增加了增强的组播支持以及对流的控制，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。

IPv6加入了对自动配置的支持。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。

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。极大地增强了网络的安全性。

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。

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。

IPv6的发展与前景

“第三届中国IPv6创新发展大会”指出，当前全球互联网正处在从IPv4向IPv6过渡的关键时期，作为新一代互联网协议，IPv6具有更加广阔的网络地址空间和更高的安全性，为物联网、大数据、云计算等新兴技术发展提供坚实的支撑，是全球公认的下一代互联网商业应用的解决方案。加快推进IPv6的部署和应用，对于打造竞争新优势，加快形成新质生产力，推动网络强国和数字中国建设具有重要意义。当前我国IPv6用户渗透率已超过70%，近年来推动IPv6+已显现其潜力。

总结

IPv6作为替代IPv4的下一代协议，虽然目前还未全面普及，但随着技术的发展和用户需求的增长，全面普及是不可避免的趋势。所以提前认识和了解IPv6能够帮助我们从容应对未来IPv6所带来的挑战。

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参考文献：

【1】《RFC 2460》

【2】《RFC 2373》