IPv6网络协议技术.docx
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IPv6网络协议技术
IPv6网络协议技术
目录
第1章.简介1
第2章.IPv6报文格式2
第3章.ICMPv6协议3
第4章.IPv6地址发现协议6
4.1邻居发现协议的功能9
第5章.IPv6地址12
第6章.IPv6寻址模型14
第7章.IPv6地址类型15
7.1单播15
7.2组播19
第8章.IPv6扩展头22
8.1扩展头22
8.2扩展头的用法22
8.3扩展头的标识23
8.4扩展头的顺序23
8.5选项25
8.6逐跳扩展头25
8.7选路扩展头26
8.8分段扩展头27
8.9目的地扩展头28
第1章.简介
随着IP网络规模和业务的迅速发展，IP网络的用户数急剧增加，正因为如此，IP网络也暴露出越来越多的问题，如地址空间不足、QoS、安全问题等。
为了解决Internet的这些问题，尤其是解决地址空间不足的问题，IETF于1992年在IPv4的基础上定义了下一代的Internet协议，被称之为“Ipng”或“IPv6”。
IPv6解决的最大问题是扩大了地址空间，另外，它与IPv4相比在其它许多方面都具有优势，例如安全性、服务质量、移动性等。
IPv6的一个显著特点就是它具有“即插即用”功能。
即插即用使节点直接连接到网络后，不需要经过任何人工配置就能够使用，即插即用使网络的管理和控制变得更加简单；其次，节点只需要知道自己的链路层地址及本地网络的子网前缀，就能够通过IPv6的无状态或者全状态自动配置得到惟一的IPv6地址，从而成为网络的一部分；另外，IPv6还实现了更好的对节点移动性的支持。
这些功能都是通过邻居发现协议来实现的，同一个子网内的所有主机和路由器之间的交互也都是通过邻居发现协议来实现的。
本章主要是介绍IPv6协议的基本原理。
本章主要内容：
●IPv6报文格式
●ICMPv6协议
●IPv6地址发现协议
●IPv6地址
●IPv6寻址模型
●IPv6扩展头
第2章.IPv6报文格式
在IPv6中，包头以64位为单位，且包头的总长度是40字节。
IPv6协议为对其包头定义了以下字段：
版本。
长度为4位，对于IPv6，该字段必须为6。
类别。
长度为8位，指明为该包提供了某种“区分服务”。
RFC1883中最初定义该字段只有4位，并命名为“优先级字段”，后来该字段的名字改为“类别”，在最新的IPv6Internet草案中，称之为“业务流类别”。
该字段的定义独立于IPv6，目前尚未在任何RFC中定义。
该字段的默认值是全0。
流标签。
长度为20位，用于标识属于同一业务流的包。
一个节点可以同时作为多个业务流的发送源。
流标签和源节点地址唯一标识了一个业务流。
在RFC1883中这个字段最初被设计为24位，但当类别字段的长度增加到8位后，流标签字段被迫减小长度来作补偿。
净荷长度。
长度为16位，其中包括包净荷的字节长度，即IPv6头后的包中包含的字节数。
这意味着在计算净荷长度时包含了IPv6扩展头的长度。
下一个头。
这个字段指出了IPv6头后所跟的头字段中的协议类型。
与IPv4协议字段类似，下一个头字段可以用来指出高层是TCP还是UDP，但它也可以用来指明IPv6扩展头的存在。
跳极限。
长度为8位。
每当一个节点对包进行一次转发之后，这个字段就会被减1。
如果该字段达到0，这个包就将被丢弃。
IPv4中有一个具有类似功能的生存期字段，但与IPv4不同，人们不愿意在IPv6中由协议定义一个关于包生存时间的上限。
这意味着对过期包进行超时判断的功能可以由高层协议完成。
源地址。
长度为128位，指出了IPv6包的发送方地址。
目的地址。
长度为128位，指出了IPv6包的接收方地址。
这个地址可以是一个单播、组播或任意点播地址。
如果使用了选路扩展头（其中定义了一个包必须经过的特殊路由），其目的地址可以是其中某一个中间节点的地址而不必是最终地址。
第3章.ICMPv6协议
IP节点需要一个特殊的协议来交换报文以了解与IP相关的情况。
ICMP正好适用于这种需求。
在IPv4升级到IPv6的过程中，ICMP也经历了一定的修改。
ICMPv6最新的定义在RFC2463中定义。
ICMP报文可以用来报告错误和信息状态，以及类似于包的Internet探测（Ping）和跟踪路由的功能。
ICMP报文的产生来源于一些错误情况。
例如，如果一个路由器由于某些原因不能处理一个IP包，它就可能会产生某种类型的ICMP报文，并直接回送到包的源节点，然后源节点将采取一些办法来纠正所报告的错误状态。
例如，如果路由器无法处理一个IP包的原因是由于包太长而无法将其发送到网络链路上，则路由器将产生一个ICMP错误报文来指出包太长，源节点在收到该报文后可以用它来确定一个更加合适的包长度，并通过一系列新的IP包来重新发送该数据。
RFC2463中定义了以下报文类型（没有包括该文档中定义的有关组的报文）：
目的地不可达。
包太长。
超时。
参数问题。
回声请求。
回声应答。
下面将详细介绍这些报文。
目的地不可达
这个报文由路由器或源主机在由于除业务流拥塞之外的原因而无法转发一个包的时候产生。
这种错误报文有五个代码，包括：
0：
没有到达目的地的路由。
这个报文在路由器没有定义IPv6包的目的地路由时产生，通常在路由器没有设置默认路由时会产生这种错误。
1：
与目的地的通信被管理员禁止。
当被禁止的某类业务流欲到达防火墙内部的一个主机时，包过滤防火墙将产生该报文。
2：
地址不可达。
这个代码指出在把IPv6目的地址解析到链路层地址时遇到了一些问题，或者在目的地网络的链路层上去往其目的地时遇到了问题。
3：
端口不可达。
这种情况发生在高层协议（如UDP）没有侦听包目的端口，且传输层协议又没有其他办法把这个问题通知源节点时。
包太长
当接收某包的路由器由于包长度大于将要转发到的链路的MTU，而无法对其进行转发时，将会产生包太长报文。
该ICMPv6错误报文中有一个字段指出导致该问题的链路的MTU值。
在路径MTU发现过程中这是一个有用的错误报文。
超时
当路由器收到一个跳极限为1的包时，它必须在转发该包之前减小这个数值。
如果在路由器减小该数值后，跳极限字段的值变为0（或者是路由器收到一个跳限制字段为0的包），那么路由器必须丢弃该包，并向源节点发送ICMPv6超时报文。
源节点在收到该报文后，可以认为最初的跳限制设置得太小（包的真实路由比源节点想象的要长），也可以认为有一个选路循环导致包无法交付。
在“跟踪路由”功能中这个报文非常有用。
这个功能使得一个节点可以标识一个包在从源节点到目的节点的路径上的所有路由器。
它的工作方式如下：
首先，一个去往目的地的包的跳极限被设置为1。
它所到达的第一个路由器将跳极限减小到0，并回送一个超时报文，这样一来源节点就标识了路径上的第一个路由器。
然后如果该包必须经过第二个路由器的话，源节点会再发送一个跳极限为2的包，该路由器将把跳极限减小到0，并产生另一个超时报文。
这将持续到包最终到达其目的地为止，同时源节点也获得了从每个中间路由器发来的超时报文。
参数问题
当IPv6头或扩展头中的某些部分有问题时，路由器由于无法处理该包而会将其丢弃。
路由器的实现中应该可以产生一个ICMP参数错误报文来指出问题的类型（如错误的头字段、无法识别的下一个头类型或无法识别的IPv6选项），并通过一个指针值指出在第几个字节遇到这种错误情况。
ICMPv6回声功能
ICMPv6中包含了一个与错误情况无关的功能。
所有IPv6节点都需要支持两种报文：
回声请求和回声应答。
回声请求报文可以向任何一个正确的IPv6地址发送，并在其中包含一个回声请求标识符、一个顺序号和一些数据。
尽管二者都是可选项，但回声请求标识符和顺序号可以用来区分对应不同请求的响应。
回声请求的数据也是一个选项，并可用于诊断。
当一个IPv6节点收到一个回声请求报文后，它必须回送一个回声应答报文。
在应答中包含相同的请求标识符、顺序号和在最初的请求报文中携带的数据。
ICMPv6回声请求/应答报文对是ping功能的基础。
ping是一个重要的诊断功能，因为它提供了一种方法来决定一个特定的主机是否与其他一些主机连接在相同的网络上。
第4章.IPv6地址发现协议
邻居发现协议是IPv6协议的一个基本的组成部分，它实现了在IPv4中的地址解析协议（ARP）、控制报文协议（ICMP）中的路由器发现部分、重定向协议的所有功能，并具有邻居不可达检测机制。
邻居发现协议实现了路由器和前缀发现、地址解析、下一跳地址确定、重定向、邻居不可达检测、重复地址检测等功能，可选实现链路层地址变化、输入负载均衡、泛播地址和代理通告等功能。
邻居发现协议采用5种类型的IPv6控制信息报文（ICMPv6）来实现邻居发现协议的各种功能。
这5种类型消息如下。
（1）路由器请求（RouterSolicitation）：
当接口工作时，主机发送路由器请求消息，要求路由器立即产生路由器通告消息，而不必等待下一个预定时间。
（2）路由器通告（RouterAdvertisement）：
路由器周期性地通告它的存在以及配置的链路和网络参数，或者对路由器请求消息作出响应。
路由器通告消息包含在连接（on-link）确定、地址配置的前缀和跳数限制值等。
（3）邻居请求（NeighborSolicitation）：
节点发送邻居请求消息来请求邻居的链路层地址，以验证它先前所获得并保存在缓存中的邻居链路层地址的可达性，或者验证它自己的地址在本地链路上是否是唯一的。
（4）邻居通告（NeighborAdvertisement）：
邻居请求消息的响应。
节点也可以主动发送邻居通告以快速的通告链路层地址的变化。
（5）重定向（Redirect）：
路由器通过重定向消息通知主机。
对于特定的目的地址，如果不是最佳的路由，则通知主机到达目的地的最佳下一跳。
IPv6的一个设计要求是：
即使在一个受限制的网络内，主机也必须正确工作，可以不需要存储像路由器上的路由表，也可以不需要有固定的配置。
因此主机必须能进行自动配置，必须能学习到如何将数据发送到目的地的相关信息。
这些信息储存的存储器叫做缓存，这些数据结构是一系列记录的排列，称作表项。
每个表项储存的信息有一定的有效期，需要周期性地清除缓存中的表项，以保证缓存的空间大小。
主机需要为每一接口维护以下信息。
邻居缓存：
一组有关单个邻居的表项，这些邻居接收到了最新的数据流。
表项是连接单播地址的关键，它包括的信息有：
其链路层地址、指示邻居是路由器还是主机的标志、指向任何排队等待完成地址解析数据包的指针等。
邻居缓存表项还包括由邻居不可达检测算法所使用的信息，如可达状态、探测无应答的次数以及下一次邻居不可达检测发生的时间。
目的地缓存：
一组有关最近收到数据流的目的地节点表项。
目的地缓存包括“在连接（on-link）”和“非连接（off-link）”目的地，并在其中提供一定程度的间接寻址。
目的地缓存能把目的地IP地址映射成下一跳邻居的IP地址，该缓存通过重定向消息进行信息更新。
如果在目的地缓存表项中存储与邻居发现没有直接关系的附加信息，例如路径MTU（PMTU）以及由传输协议设定的往返时间，则执行时会更加方便。
前缀列表：
规定一组“在连接（on-link）”地址的前缀组成的列表。
前缀列表表项产生于路由器通告接收到的信息。
每一个表项都有一个相关的失效计时器值（由通告信息确定），它用于在前缀失效时废弃这些前缀。
除非在后续通告中收到了一个新的（有限）值，否则特殊的“无限”计时器值规定前缀永久有效。
本地链路（1ink-local）前缀位于带有无限失效计时器的前缀列表，而不管路由器是否正在向其通告前缀。
接收的路由器通告不应该修改本地链路前缀的失效计时器。
缺省路由器列表：
接收数据包的路由器列表。
路由器列表的表项指向邻居缓存中的相应的表项。
缺省路由器的选择算法是：
选择那些已知可达的路由器，而不选择可达性还不确定的路由器。
每一个表项还有一个相关的失效计时器值（从路由器通告信息中得到），它的作用是删除不再通告的表项。
上述数据结构可以用不同的方法实现。
其中一种实现方法是对所有数据结构使用单个最长匹配路由表。
不管采用哪种特定的实现方法，为了防止重复性的邻居不可达检测，路由器的邻居缓存表项可以由使用该路由器的所有目的地缓存表项共享。
邻居缓存包含有邻居不可达检测算法维护的信息。
邻居可达性状态是最关键的信息，它的取值是下列的5个值之一：
不完整性（INCOMPLETE）：
正在进行地址解析，邻居的链路层地址还没确定。
可达性（REACHABLE）：
邻居在最近处于可达状态（在小于10s以前）。
失效性（STALE）：
在数据流发送给该邻居以前邻居是不可达的，并无法验证其可达性。
延迟（DELAY）：
邻居不再是可达的，同时数据流在最近已经发送给邻居，但不立即对该邻居进行探测，而在一个短时延后发送探测信息，这样就可以为上层协议提供可达性确认。
探测（PROBE）：
邻居不再是可达的，同时发送单播邻居请求探测以验证可达性。
数据包的发送算法
节点向目的地发送数据包时，使用目的地缓存、前缀列表、默认路由器列表确定合适的下一跳的IP地址，然后路由器查询邻居缓存确定邻居的链路层地址。
IPv6单播地址的下一跳确定操作如下：
发送者使用前缀列表中的前缀进行最长前缀匹配，确定包的目的地是在连接的还是非连接的。
如果下一跳是在连接的，下一跳地址就和目的地地址相同，否则发送者从默认路由器列表中选择下一跳。
如果默认路由器列表为空，则发送者认为目的地是在连接的。
下一跳确定的信息存储在目的地缓存中，下一个包可以使用这些信息。
当路由器发送包时，首先检查目的地缓存，如果目的地缓存没有相关信息存在，就激活下一跳确定过程。
在学习到下一跳路由器的IPv6地址后，发送者检查邻居缓存以决定链路层地址。
如果没有下一跳IPv6地址的表项存在，路由器的工作如下：
创建一个新表项，并设置其状态为不完全。
开始进行地址解析。
对传送的包进行排队。
当地址解析结束时，获得链路层地址，存储在邻居缓存中。
此时表项到达新的可达状态，排队的包能够传送。
对于组播包，下一跳总是认为在连接，确定组播IPv6地址的链路层地址取决于链路类型。
当邻居缓存开始传送单播包时，发送者根据邻居不可达检测算法检测相关的可达性信息，验证邻居的可达性。
当邻居不可达时，再次执行下一跳确定，验证到达目的地的另一条路径是否是可达的。
如果知道了下一跳节点的IP地址，发送方就检查邻居缓存中有关邻居的链路层信息。
如果没有表项存在，发送方就创建一条，并设置其状态为“不完整性”，同时启动地址解析，然后对没有完成地址解析的数据包进行排队。
对具有组播功能的接口来说，地址解析的过程是发送一个邻居请求信息，以及等待一个邻居通告。
当收到一个邻居通告应答时，链路层地址被表项在邻居缓存中，同时发送排队的数据包。
在传输单播数据包期间每次读取邻居发现缓存的表项，发送方根据邻居不可达性检测的算法检查邻居不可达性检测的相关信息，但不可达性检测会使发送方发出单播邻居请求，以验证该邻居还是可达的。
数据流第一次送往目的地时就执行下一跳确定的操作，随后该目的地如果仍能正常通信，目的地缓存的表项就可以继续使用。
如果邻居不可达算法决定在某一点终止通信，则需要重新执行下一跳确定，例如故障路由器的流量应该切换到正常工作的路由器，流向移动节点的数据流可能要重新路由到“移动代理”。
当节点重做下一跳确定时，不需要丢弃整个目的地缓存的表项，其中PMTU和往返计时器值的信息是很有用的。
4.1邻居发现协议的功能
1、路由器和前缀发现
路由器必须无条件丢弃不满足有效性检查的路由器请求和路由器通告消息。
路由器发现功能用来标识与给定链路相连的路由器，并获取与地址自动配置相关的前缀和配置参数。
作为对请求消息的响应，路由器应周期地发送组播路由器通告消息，来通告链路上节点的可达性。
每个主机从链路上相连的路由器上接收路由器通告消息，并建立默认路由器列表（当到达目的地的路径不可知时所使用的路由器）。
如果路由器很频繁地产生路由器通告消息，那么主机就能在几分钟内学习到路由器的存在，否则就要使用邻居不可达检测。
路由器通告消息应包含用来确定在连接可达性的前缀列表。
主机通过使用从路由器通告消息中提取的前缀，来确定目的地是否在连接，能否直接可达，或者是否非连接，还是仅通过一个路由器就可达。
目的地是在连接的，但这个目的地没有被路由器通告消息学到的前缀覆盖，在这种情况下，主机认为目的地是非连接的，路由器发送重定向消息给发送者。
路由器通告消息应包含一些标志位，这些标志位通知主机怎样执行地址的自动配置，例如路由器能指定主机是使用有状态地址配置还是无状态地址配置。
另外，路由器通告消息中还应包含简化网络集中管理的参数，例如主机产生的数据包中使用的跳数限制参数的缺省值，或链路MTU值。
当主机向路由器发出路由器请求消息时，路由器应立刻发送路由器通告消息，通过这种方式能加速节点的配置过程。
2、地址解析
IPv6节点通过邻居请求和邻居通告消息将IPv6地址解析成链路层地址，对组播地址不执行地址解析。
节点通过组播邻居请求消息来激活地址解析过程，邻居请求消息用来请求目标路由器返回它的链路层地址。
源路由器在邻居请求消息中包含了它的链路层地址，并将邻居请求消息组播到与目标地址相关的请求节点组播地址，目标路由器在单播的邻居通告消息中返回它的链路层地址。
这一对消息使源和目标路由器能解析出相互的链路层地址。
3、重定向功能
当包必须发送到一个非连接的目的地时，需要选择转发包的路由器。
当选择的路由器作为消息传送的下一跳并不是最好的下一跳时，路由器需产生重定向消息，通知源节点到达目的地存在一个更佳的下一跳路由器。
路由器必须能够确定每个邻居路由器的本地链路（1ink-local）地址，以保证重定向消息里的目标地址根据本地链路地址来识别邻居路由器。
在源端没有正确应答重定向消息，或者源端选择忽略没有被验证的重定向消息的情况下，为了节省频带和处理的费用，路由器必须限定发送重定向消息的速率。
在收到重定向消息时，路由器不能更新路由表。
4、邻居不可达检测
任何时候通过邻居或到达邻居的通信，会因各种原因而中断，包括硬件故障、接口卡的热拔插等。
如果目的地失效，则恢复是不可能的，通信失败；如果路径失效，则恢复是可能的。
因此节点应该主动跟踪数据包发向邻居的可达性状态。
主机与邻居节点之间所有路径都应进行邻居不可达性检测，包括主机到主机、主机到路由器以及路由器到主机之间的通信，也可用于路由器之间，以检测邻居或邻居前向路径发生的故障。
如果路由器最近收到确认，邻居的IP层已经收到最近发送到它的数据包，那么该邻居是可达的。
邻居不可达检测使用两种方法进行确认：
一种是从上层协议来的提示，提供“连接正在处理”的确认；另一种是路由器发送单播邻居请求消息，收到了应答的邻居通告消息。
为了减少不必要的网络流量，探测消息仅发送到邻居。
邻居不可达性检测与向邻居发送数据包同时进行。
在邻居可达性确认期间，路由器继续向缓存链路层地址的邻居发送数据包；如果没有数据包发向邻居，则不发送检测。
自从IETF在1998年12月制定了邻居发现协议的标准文本RFC2461后，邻居发现就成为IPv6节点使用的重要协议，它解决了连接在同一条链路上的所有节点之间的互操作问题。
虽然目前IPv6的标准已经比较稳定，国内外厂商研制的相关产品和设备也已经成熟，但由于IPv6技术在我国的市场需求还不是很明朗，因此IPv6技术在我国还处于试验网的实践和运行阶段。
随着IPv6网络应用商业化进程的加快，邻居发现协议的使用将会越来越广泛。
第5章.IPv6地址
IPv4与IPv6地址之间最明显的差别在于长度：
IPv4地址长度为32位，而IPv6地址长度为128位。
RFC2373中不仅解释了这些地址的表现方式，同时还介绍了不同的地址类型及其结构。
IPv4地址可以被分为2至3个不同部分（网络标识符、节点标识符，有时还有子网标识符），IPv6地址中拥有更大的地址空间，可以支持更多的字段。
IPv6地址有三类、单播、组播和泛播地址。
单播和组播地址与IPv4的地址非常类似；但IPv6中不再支持IPv4中的广播地址，而增加了一个泛播地址。
地址表达方式
IPv6地址长度4倍于IPv4地址，表达起来的复杂程度也是IPv4地址的4倍。
IPv6地址的基本表达方式是X:
X:
X:
X:
X:
X:
X:
X，其中X是一个4位十六进制整数（16位）。
每一个数字包含4位，每个整数包含4个数字，每个地址包括8个整数，共计128位（4×4×8=128）。
例如，下面是一些合法的IPv6地址：
CDCD:
910A:
2222:
5498:
8475:
1111:
3900:
2020
1030:
0:
0:
0:
C9B4:
FF12:
48AA:
1A2B
2000:
0:
0:
0:
0:
0:
0:
1
请注意这些整数是十六进制整数，其中A到F表示的是10到15。
地址中的每个整数都必须表示出来，但起始的0可以不必表示。
这是一种比较标准的IPv6地址表达方式，此外还有另外两种更加清楚和易于使用的方式。
某些IPv6地址中可能包含一长串的0（就像上面的第二和第三个例子一样）。
当出现这种情况时，标准中允许用“空隙”来表示这一长串的0。
换句话说，地址
2000:
0:
0:
0:
0:
0:
0:
1
可以被表示为：
2000:
:
1
这两个冒号表示该地址可以扩展到一个完整的128位地址。
在这种方法中，只有当16位组全部为0时才会被两个冒号取代，且两个冒号在地址中只能出现一次。
在IPv4和IPv6的混合环境中可能有第三种方法。
IPv6地址中的最低32位可以用于表示IPv4地址，该地址可以按照一种混合方式表达，即X:
X:
X:
X:
X:
X:
d.d.d.d，其中X表示一个16位整数，而d表示一个8位十进制整数。
例如，地址
0:
0:
0:
0:
0:
0:
10.0.0.1
就是一个合法的IPv4地址。
把两种可能的表达方式组合在一起，该地址也可以表示为：
:
:
10.0.0.1
由于IPv6地址被分成两个部分—子网前缀和接口标识符，因此人们期待一个IP节点地址可以按照类似CIDR地址的方式被表示为一个携带额外数值的地址，其中指出了地址中有多少位是掩码。
即，IPv6节点地址中指出了前缀长度，该长度与IPv6地址间以斜杠区分，例如：
1030:
0:
0:
0:
C9B4:
FF12:
48AA:
1A2B/60
这个地址中用于选路的前缀长度为60位。
第6章.IPv6寻址模型
每个单播地址标识一个单独的网络接口。
IP地址被指定给网络接口而不是节点，因此一个拥有多个网络接口的节点可以具备多个IPv6地址，其中任何一个IPv6地址都可以代表该节点。
尽管一个网络接口能与多个单播地址相关联，但一个单播地址只能与一个网络接口相关联。
每个网络接口必须至少具备一个单播地址。
这里有一个非常重要的声明和一个非常重要的例外。
这个声明与点到点链路的使用有关。
在IPv4中，所有的网络接口，其中包括连接一个节点与路由器的点到点链路（用许多拨号Internet连接中），都需要一个专用的IP地址。
随着许多机构开始使用点到点链路来连接其分支机构，每条链路均需要其自己的子网,这样一来消耗了许多地址空间。
在IPv6中，如果点到点链路的任何一个端点都不需要从非邻居节点接受和发送数据的话，它们就可以不需要特殊的地址。
即，如果两个节点主要是传递业务流，则它们并不需要具备IPv6地址。
为每个网络接口分配一个全球唯一的单播地址的要求阻碍了IPv4地址的扩
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