布景
以IPv4为主题技术的Internet获得巨大成功，但随着网络技术的飞速发展，IPv4地址资源的枯竭,以及其固有的局限性无法满足网络发展的需要，也带来了一些问题，好比现有的IPv4地址匮乏、服务保险问题等。而IPv6能够有效的改善这些问题，由IPv4向IPv6的升级过渡将成为互联网发展的趋向。
IPv4发展的瓶颈
在Internet急剧发展的过程中，IPv4和谈在设计时存在的局限性凸显出来：
• IP地址空间的局限性
IPv4的地址位数为32位，可使用的IP地址数量约43亿个，全球公网 IPv4 地址已于2011年2月分配结束；
• 骨干路由器守护的路由表表项数量过大
由于IPv4发展初期的分配规划问题，很多IPv4地址块分配不陆续，不能有效聚合路由。目前全球IPv4 BGP路由表仍不休增长，即便经过CIDR聚合（Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由），也有70万条左右，日益重大的路由表耗用内存较多，对设备成本和转发效能都有肯定的影响；
• IPv4网络中主机终端配置复杂
在将主机节点接入网络时通常必要专业人员的领导和援手，必要对网络节点设置IP地址、子网掩码、网关地址等，而用户更喜欢“即插即用”；
• 不足对安全的支持
TCP/IP和谈起初是面向军方网络的，以为使用者都是靠得住的，没有思考到网络安全问题。而用于保险IP数据传输安全的IPSec（Internet Protocol Security,因特网和谈安全性）仅作为IPv4和谈的一个可选项，并不是它的组成部门；
• 不足对QoS（Quality of Service，服务质量）的支持
IPv4网络提供全力交付的服务，不提供服务质量保障，如带宽、时延、误码率和抖动等。因而，IPv4不能满足日益增长的业务类型对QoS的需要。
IPv4和谈发展已经遇到了瓶颈，面对如此多的限度，必要一个新的IP和谈来代替现有的IPv4，这个和谈就是IPv6，IPv6的钻研和利用火烧眉毛。
IPv6的优势
为相识决IPv4中一些不成和谐的问题，IPv6应运而生。1998年国际互联网工程工作组（The Internet Engineering Task Force，简称IETF）颁布了IPv6和谈尺度RFC2460,之后还有屡次更新RFC（Request For Comments，是一系列以编号排定的文件。文件网络了有关互联网有关信息，以及UNIX和互联网社区的软件文件），蕴含:RFC 5095、RFC 5722、RFC 5871、RFC 6437、 RFC 6564、RFC 6935、RFC 6946、RFC 7045、RFC 7112。IPv6 终于在2017年7月14日正式实现尺度化—— RFC8200。
IPv6拥有如下优势：
• IPv6有128位地址结构，可能提供充足的地址空间。号称可能为地球上的每一粒沙子分配一个IP地址；
• 分层聚合，提高了路由效能。IPv6可提供弘远于IPv4的网络前缀，统一组织机构在其网络中能够只使用一个前缀。对于ISP，则可获得更大的地址空间。这样ISP能够把所有客户聚合形成一个前缀并颁布出去。分层聚合使全局路由表项数量很少，转发效能更高；
• IPv6拥有自动将IP地址分配给用户的职能，实现了即插即用的联网方式；
• 安全性更高。IPSec是IPv6的沉要组成部门，通过AH(Authentication Header, 认证头)、ESP(Encapsulating Security Payload, 封装安全载荷)扩大首部实现IPv6网络高安全性；
• 提供服务质量支持。IPv6新增的流标签，能够允许网络用户对通讯质量提出要求。
IPv6地址
IPv6地址暗示步骤
IPv6地址总共有128位，使用十六进造进行暗示，分为8段，中央用“:”隔开，如2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff
IPv6地址的缩写：
以2001:0410:0000:0001:0000:0000:0000:45ff为例
• 每段的前导0能够省略，但至少留1个0
2001:410:0:1:0:0:0:45ff
• 陆续多个0能够缩写为“::”，但只能使用1次
2001:410:0:1::45ff
IPv6地址结构
IPv6地址分为两部门，如图1所示：
• 网络前缀，相当于IPv4中的网络ID
• 接口标识，相当于IPv4中的主机ID
▲图1:IPv6地址结构
接口标识天生步骤：
• 手工配置
• 系统通过软件自动天生
• IEEE EUI-64规范自动天生
接口标识能够凭据IEEE EUI-64规范将MAC地址（48bit）转化为接口ID。
这种方式利益有：
• MAC地址的独个性保障了接口ID的独个性；
• 设备自动天生，不需报答过问。
如图2所示，某设备接口以太网MAC地址为00-E0-4C-68-10-18，通过EUI-64自动天生IPv6的接口ID。
• 步骤1：在MAC地址的高24位厂商ID和低24位厂商编号ID之间插入两个字节FFFE
• 步骤2：将U/L位取反，此处0置为1
注：U/L 位是第一个字节的第七位，用于确定该地址是全球治理还是本地治理。若是为0就为全球治理，暗示全球唯一地址；为1就为本地治理，暗示本地唯一地址，是网络治理员为了加强自己对网络治理而指定的地址
▲图2：EUI-64地址天生方式
IPv6地址分类
IPv6中没有广播地址，增长了任播地址，即IPv6地址被分为：单播地址、组播地址、任播地址。
• 单播地址
标识一个接口，主张是单播地址的报文会被送到被标识的接口。
重要有三大类：
1、可聚合的全局单播地址（Aggregatable global unicast address)
• 可在全球领域内路由和达到的，相当于IPv4的公网地址；
• 前三个bit是001，例如：2000::1:2345:6789:abcd（通常看到2与3开头的IPv6地址都是全局单播地址）。
2、链路本地地址（Link-Local Address）
• 用于统一个链路上的相邻节点之间通讯，相当于IPv4里面的169.254.0.0/16地址；
• IPv6的路由器不会转发链路本地地址的数据包；
• 前10个bit是1111 1110 10，由于终末是64bit的接口ID，所以它的前缀总是FE80::/64；
• 链路本地地址通常是自动天生的。
3、怪异本地单播地址（Unique Local Address）
• 怪异本地地址的作用类似于IPv4中的私网地址，只能在本地网络内部被路由转发而不会在全球网络中被路由转发；
• 怪异本地地址前缀FC00::/7。
组播地址
标识多个接口，主张是组播地址的报文会被送到被标识的所有接口。IPv6常用组播地址如表1所示：
▲表1:IPv6常用组播地址
在 IPv6 组播地址中，还有一种出格的组播地址，叫做 Solicited-node 地址(被要求节点组播地址)。Solicited-node 地址是一种特殊用处的地址，重要用于DAD（Duplicate Address Detection，沉复地址检测）代替 IPv4 中的 ARP。
Solicited-node 地址由前缀 FF02::1:FF00:0/104和IPv6单播地址的后24 位组成。如图3所示：
▲图3：Solicited-Node组播地址天生过程
任播地址
标识多个接口，主张是任播地址的报文会被送到被标识的最近的接口，最近的接口是由路由和谈来界说的。现实上任播地址与单播地址使用统一个地址空间，也就是说，由路由器决定数据包是做任播转发还是单播转发。
IPv6报文体式
IPv6数据包由一个IPv6报头、零或多个扩大报头和一个上层和谈数据单元组成。
IPv6根基报头
每一个IPv6数据包都要蕴含报头，其长度固定为40bytes，蕴含该报文的根基信息。报头体式如图4所示：
▲图4:IPv6报头体式
IPv4报头体式如图5所示：
▲图5:IPv4报头体式
与IPv4报头相比，IPv6报头结构的提升：
• 根基的IPv4报头长度为20个字节，根基的IPv6报头长度为40个字节；
• 由于2层与4层的校验已经足够壮实，取缔了IP的三层校验；
• 取缔中央节点的吩飕职能，吩飕沉组职能由源端实现，通过Path MTU机造来发现蹊径MTU。即，源节点在正式发送数据之前，使用ICMPv6来检测蹊径上最幼的MTU；
• 增长流标签，提高QoS效能。
IPv6扩大报头
IPv6扩大报头是可选报头，一个IPv6数据包中可能存在零个或多个扩大报头，这些扩大报头能够拥有分歧的长度。IPv6扩大报头包办了IPv4的选项字段。IPv6扩大报头如图6所示。
▲图6:IPv6扩大报头
在IPv4中，IPv4报头蕴含可选字段Options，内容涉及安全、功夫戳、纪录路由等，这些Options能够将IPv4报头长度从20字节扩充到60字节。在转发过程中，处置携带这些Options的IPv4报文会占用路由器很大的资源，因而现实中也很少使用。
IPv6将这些Options从IPv6根基报头中剥离，放到了扩大报头中，扩大报头被置于IPv6报头和上层和谈数据单元之间；谡庵稚杓，IPv6头部固定为40字节，扩大头部仅在必要时增长。通常情况下，扩大头部仅由终端主机处置，IPv6的体式特点肯定水平上降低了对路由器机能的要求。
当使用多个扩大报头时，IPv6报头中的“下一报头”字段指明下一个扩大报头的类型，这样就形成了链状的报头列表，如图7所示。
▲图7:IPv6包的扩大报头示例
总 结
在IPv6网络迅速推广、日益引起人们器沉的今天，人们要问的是，IPv6网络还有多远？其实IPv6技术在或已经融入了生涯。iSlot官方网站网络的主流产品，蕴含互换机、路由器、无线、网关等均支持IPv6和谈，产品大量利用在互联网、新零售、教育、医疗、交通、能源等各个行业。
本文章仅对IPv6的地址及报文体式做基础注明，更多IPv6有关技术解说，敬请等待《技术盛宴》后续的IPv6系列文章。
本期作者：杨万里
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