IPv6

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IPv6(Internet Protocol Version 6)

　　IPv6是Internet Protocol Version 6的縮寫，其中Internet Protocol譯為“互聯網協議”。IPv6是IETF(互聯網工程任務組，Internet Engineering Task Force)設計的用於替代現行版本IP協議(IPv4)的下一代IP協議。目前IP協議的版本號是4(簡稱為IPv4)，它的下一個版本就是IPv6。

　　我們使用的第二代互聯網IPv4技術，核心技術屬於美國。它的最大問題是網路地址資源有限，從理論上講，編址1600萬個網路、40億台主機。但採用A、B、C三類編址方式後，可用的網路地址和主機地址的數目大打折扣，以至IP地址已於2011年2月3日分配完畢。其中北美占有3/4，約30億個，而人口最多的亞洲只有不到4億個，中國截止2010年6月IPv4地址數量達到2.5億，落後於4.2億網民的需求。地址不足，嚴重地制約了中國及其他國家互聯網的應用和發展。

　　一方面是地址資源數量的限制，另一方面是隨著電子技術及網路技術的發展，電腦網路將進入人們的日常生活，可能身邊的每一樣東西都需要連入全球網際網路。在這樣的環境下，IPv6應運而生。單從數量級上來說，IPv6所擁有的地址容量是IPv4的約8×10^28倍，達到2^128(算上全零的)個。這不但解決了網路地址資源數量的問題，同時也為除電腦外的設備連入互聯網在數量限制上掃清了障礙。

　　但是與IPv4一樣，IPv6一樣會造成大量的IP地址浪費。準確的說，使用IPv6的網路並沒有2^128個能充分利用的地址。首先，要實現IP地址的自動配置，區域網所使用的子網的首碼必須等於64，但是很少有一個區域網能容納2^64個網路終端；其次，由於IPv6的地址分配必須遵循聚類的原則，地址的浪費在所難免。

　　但是，如果說IPv4實現的只是人機對話，而IPv6則擴展到任意事物之間的對話，它不僅可以為人類服務，還將服務於眾多硬體設備，如家用電器、感測器、遠程照相機、汽車等，它將是無時不在，無處不在的深入社會每個角落的真正的寬頻網。而且它所帶來的經濟效益將非常巨大。

　　當然，IPv6並非十全十美、一勞永逸，不可能解決所有問題。IPv6只能在發展中不斷完善，也不可能在一夜之間發生，過渡需要時間和成本，但從長遠看，IPv6有利於互聯網的持續和長久發展。國際互聯網組織已經決定成立兩個專門工作組，制定相應的國際標準。

　　(1)IPV6地址長度為128位，地址空間增大了2的96次方倍；

　　(3)IPV6簡化了報文頭部格式，欄位只有8個，加快報文轉發，提高了吞吐量；

　　(4)提高安全性。身份認證和隱私權是IPV6的關鍵特性；

　　(5)支持更多的服務類型；

　　(6)允許協議繼續演變，增加新的功能，使之適應未來技術的發展；

　　與IPV4相比，IPV6具有以下幾個優勢：

　　1.IPv6具有更大的地址空間。IPv4中規定IP地址長度為32，最大地址個數為2^32；而IPv6中IP地址的長度為128，即最大地址個數為2^128。與32位地址空間相比，其地址空間增加了2^128-2^32個。

　　2.IPv6使用更小的路由表。IPv6的地址分配一開始就遵循聚類(Aggregation)的原則，這使得路由器能在路由表中用一條記錄(Entry)表示一片子網，大大減小了路由器中路由表的長度，提高了路由器轉發數據包的速度。

　　3.IPv6增加了增強的組播(Multicast)支持以及對流的控制(Flow Control)，這使得網路上的多媒體應用有了長足發展的機會，為服務質量(QoS，Quality of Service)控制提供了良好的網路平臺。

　　4.IPv6加入了對自動配置(Auto Configuration)的支持。這是對DHCP協議的改進和擴展，使得網路(尤其是區域網)的管理更加方便和快捷。

　　5.IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6網路中用戶可以對網路層的數據進行加密並對IP報文進行校驗，在IPV6中的加密與鑒別選項提供了分組的保密性與完整性。極大的增強了網路的安全性。

　　6.允許擴充。如果新的技術或應用需要時，IPV6允許協議進行擴充。

　　7.更好的頭部格式。IPV6使用新的頭部格式，其選項與基本頭部分開，如果需要，可將選項插入到基本頭部與上層數據之間。這就簡化和加速了路由選擇過程，因為大多數的選項不需要由路由選擇。

　　8.新的選項。IPV6有一些新的選項來實現附加的功能。

　　IPv6的普及一個重要的應用是網路實名制下的互聯網身份證/VIeID，基於IPv4的網路之所以難以實現網路實名制，一個重要原因就是因為IP資源的共用，因為IP資源不夠，所以不同的人在不同的時間段共用一個IP，IP和上網用戶無法實現一一對應。

　　在IPv4下，根據IP查人也比較麻煩，電信局要保留一段時間的上網日誌才行，通常因為數據量很大，運營商只保留三個月左右的上網日誌，比如查前年某個IP發帖子的用戶就不能實現。

　　IPv6的出現可以從技術上一勞永逸地解決實名制這個問題，因為那時IP資源將不再緊張，運營商有足夠多的IP資源，那時候，運營商在受理入網申請的時候，可以直接給該用戶分配一個固定IP地址，這樣實際就實現了實名制，也就是一個真實用戶和一個IP地址的一一對應。

　　當一個上網用戶的IP固定了之後，你任何時間做的任何事情都和一個唯一IP綁定，你在網路上做的任何事情在任何時間段內都有據可查，並且無法否認。

　　但是，實際情況是，每個路由器只負責幾個網段的路由，而不會為某個特定IP進行路由，否則信息量之大會使對一個數據包的計算成本高到崩潰。受路由器吞吐量限制，通過每人一個固定IP的實名制方式在很長一段時間內將只是一種理論。

　　IPv6地址可分為三種:

　　1.單播(unicast)地址

　　單播地址標示一個網路介面。協議會把送往地址的數據包投送給其介面。IPv6的單播地址可以有一個代表特殊地址名字的範疇，如link-local地址和唯一區域地址(ULA，unique local address)。單播地址包括可聚類的全球單播地址、鏈路本地地址等。

　　2.任播(anycast)地址

　　Anycast 是 IPv6 特有的數據傳送方式，它像是IPv4的Unicast(單點傳播)與Broadcast(多點廣播)的綜合。IPv4 支持單點傳播和多點廣播，單點廣播在來源和目的地間直接進行通信；多點廣播存在於單一來源和多個目的地進行通信。 而Anycast則在以上兩者之間，它像多點廣播(Broadcast)一樣，會有一組接收節點的地址欄表，但指定為 Anycast 的數據包，只會傳送給距離最近或傳送成本最低(根據路由表來判斷)的其中一個接收地址，當該接收地址收到數據包併進行回應，且加入後續的傳輸。該接收列表的其他節點，會知道某個節點地址已經回應了，它們就不再加入後續的傳輸作業。 以目前的應用為例，Anycast 地址只能分配給路由器，不能分配給電腦使用，而且不能作為發送端的地址。

　　3.多播(multicast)地址

　　多播地址也稱組播地址。多播地址也被指定到一群不同的介面，送到多播地址的數據包會被傳送到所有的地址。多播地址由皆為一的位元組起始，亦即：它們的前置為FF00::/8。其第二個位元組的最後四個比特用以標明"範疇"。

　　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位會組成多播組群識別碼，不過因為傳統方法是從MAC地址產生，故只有組群識別碼中的最低32位有使用。定義過的組群識別碼有用於所有節點的多播地址0x1和用於所有路由器的0x2。

　　另一個多播組群的地址為"solicited-node多播地址"，是由前置FF02::1:FF00:0/104和剩餘的組群識別碼(最低24位)所組成。這些地址允許經由鄰居發現協議(NDP，Neighbor Discovery Protocol)來解譯鏈接層地址，因而不用干擾到在區網內的所有節點。

　　4.特殊地址

　　IANA維護官方的IPv6地址空間列表。全局的單播地址的分配可在各個區域互聯網註冊管理機構或GRH DFP pages找到。IPv6中有些地址是有特殊含義的：

　　(1)未指定地址

　　所有比特皆為零的地址稱作未指定地址。這個地址不可指定給某個網路介面，並且只有在主機尚未知道其來源IP時，才會用於軟體中。路由器不可轉送包含未指定地址的數據包。

　　(2)鏈路本地地址

　　::1/128- 是一種單播繞回地址。如果一個應用程式將數據包送到此地址，IPv6堆棧會轉送這些數據包繞回到同樣的虛擬介面(相當於IPv4中的127.0.0.0/8)。

　　fe80::/10- 這些鏈路本地地址指明，這些地址只在區域連接中是合法的，這有點類似於IPv4中的169.254.0.0/16。

　　(3)唯一區域位域

　　fc00::/7-唯一區域地址(ULA，unique local address)只可在一群網站中繞送。這定義在RFC 4193中，是用來取代站點本地位域。這地址包含一個40比特的偽隨機數，以減少當網站合併或數據包誤傳到網路時碰撞的風險。這些地址除了只能用於區域外，還具備全局性的範疇，這點違反了唯一區域位域所取代的站點本地地址的定義。

　　(4)多播地址

　　ff00::/8-這個前置表明定義在"IP Version 6 Addressing Architecture"(RFC 4291)中的多播地址。其中，有些地址已用於指定特殊協議，如ff0X::101對應所有區域的NTP伺服器(RFC 2375)。

　　(5)請求節點多播地址 (Solicited-node multicast address)

　　ff02::1:FFXX:XXXX-XX:XXXX為相對應的單播或任播地址中的三個最低的位元組。

　　(6)IPv4轉譯地址

　　::ffff:x.x.x.x/96- 用於IPv4映射地址。

　　2001::/32- 用於Teredo tunneling。

　　2002::/16- 用於6to4。

　　(7)ORCHID

　　2001:10::/28-ORCHID (Overlay Routable Cryptographic Hash Identifiers) (RFC 4843)。這些是不可繞送的IPv6地址，用於加密散列識別。

　　(8)文件

　　2001:db8::/32- 這前置用於文件(RFC 3849)。這些地址應用於IPV6地址的示例中，或描述網路架構。

　　(8)遭捨棄或刪除的用法

　　::/96- 這個前置曾用於IPv4兼容地址，現已刪除。

　　fec0::/10- 這個站點本地前置指明這地址只在組織內合法。它已在2004年9月的RFC3879中捨棄，並且新系統不應該支持這類型的地址。

　　IPv6數據包由兩個主要部分組成：頭部和負載。

　　包頭是包的前64比特並且包含有源和目的地址，協議版本，通信類別(8位，包優先順序)，流標記(20比特，QoS服務質量控制)，分組長度(16位)，下一個頭部(用於入棧解碼，類似IPv4中的協議號)，和跳段數限制(8位，生存時間，相當於IPv4中的TTL)。後面是負載。MTU至少1280位元組長，在常見的乙太網環境中為1500位元組。負載在標準模式下最大可為65535位元組，如果擴展報頭設置了"jumbo payload"選項，則長度值被置為0。IPv6曾有兩個有著細微差別的版本；在 RFC 1883 中定義的原始版本(現在廢棄)和 RFC 2460 中描述的現在提議的標準版本。兩者主要在通信類別這個選項上有所不同，它的位數由4位變為了8位。其他的區別都是微不足道的。

　　分段(Fragmentation)只在IPv6的主機中被處理。在IPv6中，可選項都被從標準頭部中移出併在協議欄位中指定，類似於IPv4的協議欄位功能。

　　IPv6地址在功能變數名稱系統中為執行正向解析表示為AAAA記錄(所謂4A記錄，類似的IPv4表示為A記錄A records)；反向解析在ip6.arpa(原先ip6.int)下進行，在這裡地址空間為半位元組16進位數字格式。這種模式在RFC 3596給與了定義。

　　AAAA模式是IPv6結構設計時的兩種提議之一。另外一種正向解析為A6記錄並且有一些其他的創新像二進位串標簽和DNAME記錄等。RFC 2874和它的一些引用中定義了這種模式。

　　AAAA模式只是IPv6功能變數名稱系統的簡單概括，A6模式使功能變數名稱系統中檢查更全面，也因此更複雜：

　　A6記錄允許一個IPv6地址在分散於多個記錄中，或許在不同的區域；舉例來說，這就在原則上允許網路的快速重編號。

　　使用功能變數名稱系統記錄委派地址被DNAME記錄(類似於現有的CNAME，不過是重命名整棵樹)所取代。

　　一種新的叫做比特標簽的類型被引入，主要用於反向解析。

　　2002年8月的RFC 3363中對AAAA模式給與了有效的標準化(在RFC 3364有著對於兩種模式優缺點的更深入的討論)。

　　在IPv6完全取代IPv4前，需要一些轉換機制使得只支持IPv6的主機可以連絡IPv4服務，並且允許孤立的IPv6主機及網路可以藉由IPv4設施連絡IPv6互聯網。

　　在IPv6主機和路由器與IPv4系統共存的時期時，RFC2893 和 RFC2185 定義了轉換機制。這些技術，有時一起稱作簡單互聯網轉換(SIT，Simple Internet Transition)。包含：

• 運作於主機和路由器之間的雙堆棧IP實現
• 將IPv4嵌入IPv6地址
• IPv6立於IPv4之上的隧道機制
• IPv4/IPv6報頭轉換

　　1.雙堆棧

　　雙堆棧(Dual IP stack implementation)是將IPv6視為一種IPv4的延伸，以共用代碼的方式去實現網路堆棧，其可以同時支持IPv4和IPv6，如此是相對較為容易的。如此的實現稱為雙堆棧，並且，一個實現雙堆棧的主機稱為雙堆棧主機。這步驟描述於RFC 4213。

　　目前大部分IPv6的實現使用雙堆棧。一些早期實驗性實現使用獨立的IPv4和IPv6堆棧。

　　2.隧道

　　隧道(Tunneling)是另一個用來鏈接IPv4與IPv6的機制。為了連通IPv6互聯網，一個孤立主機或網路需要使用現存IPv4的基礎設施來攜帶IPv6數據包。這可由將IPv6數據包裝入IPv4數據包的隧道協議來完成，實際上就是將IPv4當成IPv6的鏈接層。

　　IP協議號碼的41號用來標示將IPv6數據訊框直接裝入IPv4數據包。IPv6亦能將入UDP數據包，如為了跨過一些會阻擋協議41交通的路由器或NAT設備。其它流行的封裝機制則有AYIYA和GRE。

　　3.自動隧道

　　自動隧道(Automatic tunneling)指路由設施自動決定隧道端點的技術。RFC 3056建議使用6to4隧道技術來自動隧道，其會使用41協議來封裝。隧道端點是由遠程知名的IPv4任播地址所決定，併在本地端嵌入IPv4位址信息到IPv6中。現今6to4是廣泛佈署的。

　　Teredo是使用UDP封裝的隧道技術，據稱可跨越多個NAT設備。Teredo並非廣泛用於佈署的，但一個實驗性版本的Teredo已安裝於Windows XP SP2 IPv6堆棧中。IPv6，包含6to4隧道和Teredo隧道，在Windows Vista中預設是啟動的。許多Unix系統只支持本地的6to4，但Teredo可由如Miredoo的第三方軟體來提供。

　　ISATAP藉由將IPv4位址對應到IPv6的link-local地址，從而將IPv4網路視為一種虛擬的IPv6區域連接。不像6to4和Teredo是站點間的隧道機制，ISATAP是一種站點內機制，意味著它是用來設計提供在一個組織內節點之間的IPv6連接性。

　　4.組態隧道 (6in4)

　　在組態隧道中，如6in4隧道，隧道端點是要明確組態過的，可以是藉由管理員手動或操作系統的組態機制，或者藉由如tunnel broker等的自動服務。組態隧道通常比自動隧道更容易去除錯，故建議用於大型且良好管理的網路。組態隧道在IPv4隧道上，使用網際協議中號碼的41號。

　　5.用於只支持IPv6主機的代理和轉譯

　　在區域網際網路註冊管理機構耗盡所有可使用的IPv4位址後，非常有可能新加入互聯網的主機只具有IPv6連接能力。對這些須要向後兼容以能訪問IPv4資源的客戶端，須要佈署合適的轉換機制。

　　一種轉換技術是使用雙堆棧的應用層代理，如網頁代理服務器。一些對於應用程式無法得知但在其低層使用類NAT轉換技術也曾被提出。但因為一般應用層協議所要求的能力其應用太廣，其中大部分都被認定在實際上太不可靠，並且被認為應刪除。

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