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硬核科普:从IPv4到IPv6
网络 无线技术
在互联网诞生之初,IPv4 被广泛使用,但由于全球联网的设备越来越多,地址空间已经耗尽。因此,具有无限地址能力并具有自动配置、移动性等高级特性的IPv6技术应运而生。

IPv4又称互联网通信协议第四版,是网际协议开发过程中的第四个修订版本,也是此协议第一个被广泛部署的版本。IPv4是互联网的核心,也是使用最广泛的网际协议版本。

IPv4使用32位地址,2019年11月26日,全球所有43亿个IPv4地址已分配完毕,这意味着没有更多的IPv4地址可以分配给ISP和其他大型网络基础设施提供商。

IPv4最大的问题在于网络地址资源不足,严重制约了互联网的应用和发展,IPv6的地址长度为128位,是IPv4地址长度的4倍。IPv6的使用,能够解决网络地址资源数量的问题。此外,IPv6 在安全性、路由地址、自动配置、移动性和 QoS 方面也增强了一些功能。

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IPV4与IPV6之间的区别

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什么是 IPv4

IPv4在网络层工作,负责识别 IP 地址上给出的主机,并相应地在网络中或在各种网络之间路由数据包。

目前互联网大多都使用的是 IPv4 寻址方案。IPv4 地址有 32 位寻址空间,可以连接 2^32 = 43 亿台设备。

IPv4 报头

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  • 版本:IPv4 的版本号为 4。
  • 报头长度:显示报头的大小。
  • DSCP:代表区分服务代码字段,用于构建数据包。
  • 总长度:它表示包头的大小加上数据包的大小。
  • 标识:如果数据包在传输期间被分片,则使用该字段为每个分片分配相同的编号以便帮助构建原始数据包。
  • 标志:用于表示分片过程。
  • 分片偏移:对包含分片的上层数据包的IP包赋予序号。
  • TTL:为了避免网络中出现循环的可能性,在每个数据包的传输过程中都设置了TTL值,该值表示数据包可以经过的跳数。每跳TTL值减1,当TTL值为0时,报文将被丢弃。
  • 协议:表示它用于传输数据的协议。TCP 的协议号为 6,UDP 的协议号为 17。
  • 首部检验和:该字段用于错误检测。
  • 源IP地址:保存源端主机的IP地址。长度为 32 位。
  • 目的IP地址:保存目的主机的IP地址。长度为 32 位。

IPv4 寻址模式

(1) 寻址方式分为三种:

单播寻址模式:在这种模式下,发送方只能将 IP 数据包发送到一个目标终端主机。目的主机的 IP 地址包含在报头的 32 位目的地址 IP 字段中。

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广播寻址模式:在这种模式下,数据包被广播或发送到网络中存在的所有主机终端设备。广播 IP 地址为 255.255.255.255。当接收主机解析这个地址时,所有的数据包都会被接收。图片

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组播寻址模式:此模式是前两种模式的混合,即发送的数据包既不指向单个主机也不指定段上的所有主机。在该数据包中,目标地址包含一个以224.xxx开头的特殊地址,可以被多个主机接收。

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服务器发送由多个服务器接收的数据包。每个网络都有一个为代表网络的网络号保留的 IP 地址和一个为广播地址保留的 IP 地址,它代表该网络中的所有主机。

(2) 分层寻址方案:

32 位 IP 地址包含网络、子网和与其相连的主机的 IP 地址信息。单个IP地址可以包含有关网络及其子网络以及最终主机的信息。

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(3) IPv4 私有 IP 地址: 私有IP地址是一段保留的IP地址。只在局域网中使用,在Internet上是不使用的。因此,路由器和交换机等网络设备在传输过程中会丢弃私有IP地址的数据包。图片

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NAT转换可以把私有IP转换成公网IP地址,这样就可以和Internet连接。

(4) IPv4 环回 IP 地址:

地址块127.0.0.0/8被保留作环回通信用。此范围中的地址绝不应出现于主机之外,发送至此地址的报文被作为同一虚拟网络设备上的入站报文(环回),主要用于检查TCP/IP协议栈是否正确运行和本机对本机的链接。

为什么需要IPv6

  • IPv4 提供的地址空间只有43亿个,目前已经完全耗尽。
  • IPv4 不提供安全的传输模式。
  • IPv4 不支持自动配置功能。
  • QoS 功能不达标。

什么是 IPv6

IPv6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,其地址数量号称可以为全世界的每一粒沙子编上一个地址。IPv6的使用,不仅能解决网络地址资源数量的问题,而且也解决了多种接入设备连入互联网的障碍。

IPv6的特点

(1) 地址数量多:设计 IPv6 的主要原因是 IPv4 地址的短缺。IPv6 有128位地址,共支持 2^128 个(接近 3.4*10^38)个地址,足以在未来许多年内连接大量的设备。

(2) 地址自动配置:IPv6主机连接到IPv6网络时,可以通过ICMPv6消息自动配置自己的地址。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。

(3) 组播:IPv6的组播支持以及对流的支持要强于IPv4。 

(4) 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,这极大地增强了网络安全。

(5) 路由表更小:IPv6的地址分配一开始就遵循聚类(Aggregation)的原则,这使得路由器能在路由表中用一条记录(Entry)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。

(6) 移动性:MIPv6(Mobile IPv6 )允许移动节点在保持现有连接的同时任意改变其在IP网络中的位置。

 MIPv6实现了完整的IP层的移动性。特别是面对移动终端数量剧增,只有MIPv6才能为每个设备分配一个永久的全球IP地址。由于MIPv6很容易扩展、有能力处理大规模移动性的要求,所以它将能解决全球范围的网络和各种接入技术之间的移动性问题。

(7) 服务质量(QoS)提高:服务质量是多种因素的综合问题。从协议的角度来看,移动IPv6的头标增加了一个流标记域,20位长的流标记域使得任何网络的中间点都能够确定并区别对待某个IP地址的数据流。 

IPv6 报头

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IPv6 标头为 40 字节,由以下字段组成: 

  • 版本:表示协议版本,值为6。
  • 流量等级:8 位,表示用于路由报文使用的服务类型。
  • 流标签:20位。用来标识同一个流里面的报文。该字段在实时流媒体传输中非常有用。
  • 载荷长度:16 位。表明该IPv6包头部后包含的字节数,包含扩展头部。
  • 下一报头:8 位,该字段用来指明报头后接的报文头部的类型,若存在扩展头,表示第一个扩展头的类型,否则表示其上层协议的类型,它是IPv6各种功能的核心实现方法。
  • 跳数限制:8 位,用于禁止数据包在系统中无限循环。这与 IPv4 标头中的 TTL 类似。在每一跳,跳数限制的值降为 1,当它达到 0 时,数据包将被丢弃。
  • 源地址:128位,表示网络源主机的地址。
  • 目的地址:也是128位,表示网络数据包的接收主机地址。

扩展头部: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。

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IPv6 寻址模式

IPv6协议主要定义了三种寻址模式:单播寻址模式、组播寻址模式和任播寻址模式。与原来在IPv4相比,IPv6 引入了一种新的寻址方式,称为任播寻址。

 在这种寻址模式下,多个接口(主机)被分配了相同的任播 IP 地址。当主机希望与配备任播 IP 地址的主机通信时,它会发送单播消息。在复杂的路由机制的帮助下,单播消息被传递到在路由成本方面最接近发送方的主机。

地址结构

IPv6的地址长度为128位,采用十六进制表示。 

例如:3C0B:0000:2667:BC2F:0000:0000:4669:AB4D 

全球单播地址:

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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。

 链路本地地址和唯一本地地址都属于本地单播地址,在IPv6中,本地单播地址就是指本地网络使用的单播地址,也就是IPV4地址中局域网专用地址。每个接口上至少要有一个链路本地单播地址。

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。结点使用链路本地地址与同一个链路上的相邻结点进行通信。例如,在没有路由器的单链路IPv6网络上,主机使用链路本地地址与该链路上的其他主机进行通信。 

结构如下图所示: 图片

唯一本地地址: 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。 地址规格如下图所示:

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IPv6 地址的范围:

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IPv6 应用实例

示例 1: 

印度铁路的物流和供应链:印度铁路是印度最大的物流和供应链网络的例子,因为它每天运送数以百万计的货物和包裹,这些货物和包裹会穿越该国的几个邦。

由于IPv4的地址已经耗尽,使用 IPv4 构建不断扩张的供应链变得困难。IPv6 的大地址空间和自动配置功能有助于跟踪系统中的货车和包裹的状态。借助此功能,最终用户还可以跟踪其商品的状态。

 物流数据库可以通过在线系统进行维护,24*7全天候监控,从而有助于减少延迟交货和被盗或丢失货物的情况。

 示例 2:

 智能交通系统:印度一直在努力管理各个城市的交通系统,大城市的情况更糟。为了克服这个问题,我们需要对交通系统进行实时监控和管理,尤其是公共汽车、校车、救护车和消防队等公共服务车辆。

 IPv6提供了ITS实现所需要的移动IPv6、大地址空间和增强的安全模型等特性。救护车、校车和消防队可以配备生物传感器、无线电话和摄像机,让定位和监控这些车辆变得容易,对于最终用户来说,也可以很容易地访问它们并使用它们。

 IPv6平台通过在交通高峰期调测各种传感器和监控软件,实现对交通状况的实时监控和管理,提供实时的交通状况视图。

结论

在互联网诞生之初,IPv4 被广泛使用,但由于全球联网的设备越来越多,地址空间已经耗尽。因此,具有无限地址能力并具有自动配置、移动性等高级特性的IPv6技术应运而生。 

尽管从IPv4过渡到IPv6并不是很容易,大部分组织也仍在使用IPv4技术,但随着5G、工业互联网等新技术的持续演进,万物互联已成为未来网络发展的主要方向,IPv6网络应用的优势更多体现在工业互联网及智能家居领域,IPv6与工业互联网、物联网、云计算、大数据、人工智能等融合应用将成为未来信息社会的基石。

责任编辑:赵宁宁 来源: SDNLAB
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