理解IPV6的地址输写和分类

第十二章理解下一代IP地址——IPv6任务12.1.5理解IPv6的地址表达形式前面小节以描述IPv6报文结构为主题，分析了IPv6与IPv4报文的区别，以及IPv6数据报文的封装过程，并通过实验取证了各部分关键技术的理论。本小节主要以理解IPv6的地址结构与寻址方式为主题展开分析。IPv6有强大的地址空间，具体点讲，就是地球上的每一个水分子都可以得到一个合法的IPv6地址。为什么IPv6会存在如此巨大的地址空间？首先，应理解IPv6的寻址方式，IPv6的寻址方式与IPv4是很不相同的，IPv6的地址长度为128位，而IPv4只有32位，地址空间增大了2的96次方倍；其次，IPv6地址是以十六进制表示的，而IPv4是以十进制表示的。本小节将讲述IPv6地址的表示方法。任务12.1.4IPv6的输入方法为了能更科学、从浅入深地认识IPv6与IPv4的输入区别，这里通过一个简单的书写实例来描述关于IPv6与IPv4地址的写法，如图12.13所示。图12.13IPv6与IPv4地址的输入区别根据图12.13所示，可以看出IPv6地址是通过符号“:”进行分段的（如20DA:00D3），而IPv4地址则是通过符号“.”进行分段的（如202.202.1.1）；IPv6地址每段的长度由4个十六进制字符组成（如2F3B，其中十六进制字符的范围为0～F），而IPv4地址则是由十进制字符组成的（如202，其中每段的范围为0～255）；IPv6地址被分成了8段，共计128位，而IPv4地址则被分成了4段，共计32位。根据以上的分析结果，以及结合RFC2373对IPv6的地址表示规则，IPv6地址表示方式如图12.14所示。图12.14IPv6地址表示方式任务12.1.4理解IPv6地址的输入格式Pv6地址的格式分为首选格式和零压缩格式。首选格式首选格式也可称为全格式或者标准格式，指由32个十六进制字符所组成的一个IPv6地址（总共8个字段，每个字段由完整的4个十六进制字符组成，且不能省略任何一个字符）。IPv6地址首选格式的表示方法如图12.15所示。如果每个IPv6地址都通过完全格式进行输入，则可明显看出这比IPv4地址的书写要烦琐，那么显然需要一种方法来简化这个烦琐的书写过程，所以就产生了各种IPv6地址的缩写格式。图12.15IPv6地址首选格式的表示方法任务12.1.4零压缩格式零压缩格式的目的在于简化IPv6地址输入的复杂性，当IPv6地址中有“0”时，在特定的情况下，可以将该“0”进行压缩。与IPv4比较而言，这是IPv6独有的特性。省“0”压缩法：指示在IPv6地址中以每个字段为单位，按照从左向右的方向进行判断，如果每个字段出现连续的“0”（可以是1个，也可以是多个，但是必须是连续的），且该“0”是从左向右的方向，从每个字段的第一位开始计算，就可以省略连续的“0”，当出现了非“0”的位时就停止省略，且保留其后的所有位的值（也是从第一位开始计算的）。如“0001”省略为“1”，“0010”省略为“10”，“0100”省略为“100”，而“1000”就只能输入为“1000”。在省“0”压缩方式中，如果出现了4个连续的“0”，那么至少需要保留1个“0”，如“0000”省略为“0”。省“0”压缩方式如图12.16所示，通过图像化的方式来理解省“0”压缩方式。省“0”压缩实例如图12.17所示，这是典型的省“0”压缩实例。图12.16省“0”压缩方式图12.17省“0”压缩实例任务12.1.4“::”压缩法：在IPv6地址中以每个字段为单位，按照从左向右的方向进行判断，如果一个字段全部为“0000”或者连续几个字段全部为“0000”，如“0000:0000”，就可以使用“::”进行压缩。如果IPv6地址出现了多个“0000”的字段，但是不连续（如0000：DF23:0000）这样的情况，就只能选择其中的一个字段使用“：：”压缩。“::”压缩方式如图12.18所示，“::”压缩实例如图12.19所示。图12.18“::”压缩方式图12.19“::”压缩实例省“0”压缩结合“::”压缩：省“0”压缩只能将字段“0000”压缩为“0”，而“::”压缩只能将字段“0000”压缩为“::”，不能压缩如“0001”这样的字段，并且“::”压缩在一个IPv6地址中只能使用一次。面对上述问题，可以让这两种压缩方式相结合或者根据具体情况选择压缩方式。省“0”压缩结合“::”压缩方式如图12.20所示。图12.20省“0”压缩结合“::”压缩方式任务12.1.6理解IPv6的地址分类IPv4地址分为A、B、C、D、E五类，而IPv6地址突破了IPv4地址类别划分，IPv6地址被分IPv6为本地链路地址、IPv6本地站点地址、IPv6全球单播地址、IPv4过渡到IPv6兼容地址、IPv6基于EUI-64接口标识符地址。下面分别对上述地址进行描述。IPv6本地链路地址IPv6本地链路地址，类似于IPv4中APIPA（AutomaticPrivateIPAddressing，自动专用IP寻址）所定义的地址169.254.0.0/16。首先说明一下IPv4中APIPA地址会在什么样的情况下产生和使用。比如：在企业网络中配置了DHCP服务器，为企业网络中的客户机提供IP地址分配，如果某天DHCP服务器出现故障，无法为企业网络中的客户机提供IP地址分配，此时客户机会产生一个APIPA地址。该地址在一个子网范围内可以保证主机之间的通信，但是APIPA地址是不可以完成路由通信的。而IPv6本地链路地址的作用在于发现邻居节点和在无状态自动配置中本地链路上节点之间的通信，并且只能在连接到同一本地链路的节点之间通信，不能跨路由器进行通信和路由转发。具体如何理解IPv6本地链路地址，首先要理解IPv6所定义的链路、站点、与全局的意义，如图12.21所示。IPv6的链路相当于企业网络中连接在一个二层交换机上的主机链路，更明确的一种说法是链路处于同一个广播域中，从IPv4的角度可以理解成IPv6的链路就是在同一个子网内的主机。所以，IPv6本地链路地址只能在IPv6的本地链路中使用，如链路A与链路B中的IPv6主机使用本地链路地址在各自的链路上通信，但是不可以使用本地链路地址完成链路A与链路B之间的通信，这与IPv4中的APIPA类似。任务12.1.6图12.21IPv6的链路、站点、全局注意：发现邻居节点，类似于Cisco的CDP。无状态自动配置，指不能通过DHCP获取地址，也没有手工配置IPv6地址。对于IPv6本地链路地址的配置，当在一个节点上启动了IPv6协议栈时，如在Cisco网络设备的接口下使用IPv6enable命令，此时就会在该接口下自动配置一个本地链路地址,如FE80::02D0:BCFF:FEA6:6C01。如图12.22所示，IPv6本地链路地址的前缀为固定的FE80::/10，在默认情况下将11bit到64bit设置为0，剩下的64bit就使用接口的MAC地址扩展为64位进行填充标识。而接口的MAC地址原本是48位，如何将48位的MAC地址扩展为64位进行填充的原理，在本小节后面的“IPv6基于EUI-64接口标识符地址”的配置中有详细描述。图12.22Ipv6本地链路地址格式任务12.1.6IPv6本地站点地址IPv6本地站点地址，只能在IPv6所定义的一个站点内使用，站点的概念如图12.21所示。链路A与链路B都处于同一个站点内，IPv6本地站点地址类似于IPv4环境RFC1918所定义的“私有IP地址”，如10.0.0.0/8、172.16.0.0/16～172.31.255.255/16和192.168.0.0/16。所以，IPv6本地站点地址不能应用到Internet上，而只能使用在企业内部网络中。既然IPv6本地站点地址只能用在企业内部网络中，难道是为了做NAT，代理企业内部上网？我们知道IPv6完全有足够的IP地址空间为每个用户分配一个用于Internet的地址，并且IPv6环境中的NAT技术是用来解决IPv4与IPv6过渡兼容问题的，而不是代理私有专用网络IP访问Internet。那IPv6本地站点地址的作用是什么呢？下面是一些基本作用描述。用于企业内部打印机、共享文件等常见服务。为企业内部服务器、客户机分配IP地址，限制访问Internet。为企业内部交换机、网关、无线接入点分配IP地址。用于远程管理企业内部服务器、路由器等相关网络设备。没有获取全球可聚合单播地址的组织机构，可以使用IPv6本地站点地址进行网络建设。任务12.1.6注意：IPv6的本地链路地址与本地站点地址的重大区别是，本地链路地址只能在同一个二层链路中完成通信，不可被路由；而本地站点地址是可被路由的。对于IPv6本地站点地址的配置，必须通过DHCPv6进行地址的分配、无状态的前缀公告，或者手工进行输入，如FEC0:FECC:2::1/10。本地站点地址是由固定的10bit地址前缀FEC0::/10、54bit子网标识以及64bit扩展MAC地址组成的，如图12.23所示。注意：对于图12.23所示的本地站点地址格式是按照二进制方式进行划分的，切忌以十六进制方式来进行分析。如FEC0::/10，其实真正固定的部分按二进制计算是1111111011，而不是十六进制FEC0。54bit子网标识指可提供254=65535个不同的子网。任务12.1.6IPv6全球单播地址IPv6全球单播地址指用于Internet上的地址，类似于IPv4的“公有”IP地址，如202.202.1.1/30。而IPv6全球单播地址是IPv6寻址结构当中最重要的部分，该寻址结构使用了严格的路由前缀聚合，目的在于限制全球Internet的路由表的规模。而一个IPv6地址是由提供商提供的48bit路由前缀、组织机构使用16bit划分子网以及64bit接口标识符组成的，IPv6全球单播地址格式如图12.24所示。图12.24IPv6全球单播地址格式注意：接口标识符，指64bitMAC地址（未来网络适配器的MAC地址），或者是基于48bitMAC地址扩展为64bit。在全球单播地址中，规定如2001:BCFF:FEA6::/48表示一个IPv6路由前缀，2001:BCFF:FEA6:6C01::/64表示一个IPv6子网前缀。任务12.1.6对于IPv6全球单播地址的配置，也有一定的规定和要求，其子网前缀必须为2000::/3，指的是IPv6的前3bit必须为二进制的001。而二进制转换为十六进制，需要4bit的二进制数，所以IPv6全球单播地址从左到右的第一个字段的变化范围是“0010”到“0011”，转换为十六进制变化范围就是2到3。IPv6全球单播地址的范围如图12.25所示。图12.25IPv6全球单播地址的范围任务12.1.6IPv4过渡到IPv6兼容地址IPv4兼容IPv6地址是一种IPv4与IPv6网络的兼容过渡机制，用于在主机或者路由器上自动创建IPv4隧道，保证在IPv4网络上能传递IPv6数据包，如图12.26所示。而IPv4过渡到IPv6兼容地址格式主要由前缀高位为96bit的二进制0组成，其他的32bit以十进制的IPv4地址组成。如IPv4地址202.202.1.1对应的IPv4过渡到IPv6兼容地址就应该为0000:0000:0000:0000:0000:0000:202.202.1.1（压缩后为::202.202.1.1），如图12.27所示。图12.26IPv4隧道承载IPv6数据图12.27IPv4过渡到IPv6兼容地址格式任务12.1.6IPv6基于EUI-64接口标识符地址在前面的各种地址表示方法中多次提到64位扩展MAC填充地址、接口标识符等，在这里将详细讨论这些内容。IPv6地址由于地址格式较长，书写复杂，并且MAC地址本身就具备全球范围的唯一性，所以为了方便常常会利用接口的MAC地址来填充IPv6地址的后64位。但是现默认接口的MAC地址只有48位，那么怎么去填充为64位（EUI-64）的呢？比如给出一个子网前缀为2001::/64，MAC地址为ca00.02a8.0038，那么对应的IPv6地址应该是多少呢？请参考图12.28所示，怎么将48位的MAC地址填充到IPv6地址的后64位中的具体过程。图12.28IPv6基于EUI-64地址扩展任务12.1.6IPv6环回地址IPv6环回地址类似于IPv4地址127.0.0.1，其作用是测试本地设备的TCP/IP协议簇是否被正确安装，而通过该地址发出的数据是不会经过网络传输的。IPv6环回地址的全格式为0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001，压缩格式为::1。IPv6未指定地址IPv6未指定地址是指没有给任何接口分配单播地址。比如：如果IPv6主机的IPv6地址需要从DHCP