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计算机网络 · 04-network

IPv6 协议

重要度 ⭐⭐⭐⭐⭐ 计算机网络/网络层IPv6地址格式过渡技术ICMPv6
速查
IPv6 地址 128 位 = 8 组 × 16 位;缩写规则:前导零省略、连续全零组用 :: 替代(仅一次)。IPv6 基本头部固定 40 字节取消校验和、分片与选项移到扩展头部。过渡技术:双栈 / 隧道 / NAT64

核心概念

为什么需要 IPv6

  • IPv4 地址耗尽(32 位,约 43 亿个)
  • IPv6 提供 128 位地址空间(约 3.4×10³⁸ 个)
  • 改进头部格式、安全性、自动配置等

IPv6 地址格式

128 bit = 8 组 × 16 bit,如 2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:0000:0001。缩写:前缀零省略(0DB8→DB8)、连续全零组用 :: 替代(仅一次)→ 2001:DB8::1

类型前缀说明
单播-一对一通信
组播FF00::/8一对多通信
任播-一对最近一个(多服务器共享地址)
未指定::/128全零地址
环回::1/128本地环回
单播分类前缀说明
全局单播2000::/3公网地址(类似 IPv4 公网 IP)
链路本地FE80::/10同一链路内通信(自动配置)
唯一本地FC00::/7私网地址(类似 IPv4 私网)

扩展头部

基本头部后链式挂载扩展头部:逐跳选项(0)、路由(43)、分片(44)、目的选项(60)、认证(51)、封装安全载荷(50)。如 IPv6基本头 → 逐跳 → 路由 → 分片 → TCP/UDP

自动配置

  • 无状态(SLAAC):主机生成链路本地地址 → NS 验证唯一 → RS 请求 → 路由器 RA 返回前缀 → 前缀+接口标识符生成全局地址
  • 有状态(DHCPv6):由 DHCPv6 服务器分配地址

IPv4→IPv6 过渡技术

  • 双栈:设备同时运行 IPv4 和 IPv6,按目的地址选择
  • 隧道:IPv6 包封装在 IPv4 包中传输(IPv6-in-IPv4)
  • 翻译(NAT64):IPv6 与 IPv4 间地址/协议转换

ICMPv6 与 NDP

ICMPv6 负责差错报告、邻居发现(替代 ARP)、路由器发现、组播管理(MLD)。NDP 用 NS/NA 做地址解析,用 RS/RA 做路由器发现,还做重复地址检测。

IPv6 头部(与 IPv4 对比)

IPv6 基本头部固定 40 字节。主要简化:取消校验和、分片字段与选项字段移到扩展头部。

字段IPv4IPv6变化
头部长度可变 20~60B固定 40B简化
总长度改为 Payload Length-
TTLTTLHop Limit重命名
协议ProtocolNext Header重命名
分片头部中有移到扩展头部简化
校验和取消由上层保证
选项移到扩展头部简化
简化原因固定长度 + 无校验和使路由器处理更快;分片只在源端进行(路径 MTU 发现);选项用扩展头部实现。

关键定义

概念定义
IPv6 地址128 位,8 组十六进制,冒号分隔
SLAAC无状态地址自动配置
NDP邻居发现协议,替代 ARP
扩展头部分片/选项/安全等功能的挂载头部
双栈同时运行 IPv4 与 IPv6
NAT64IPv6 与 IPv4 协议转换

常见考法

  1. IPv6 地址长度与缩写规则(前导零省略、::
  2. IPv6 与 IPv4 头部差异(取消校验和、固定 40B)
  3. 三种过渡技术:双栈 / 隧道 / NAT64
  4. SLAAC 自动配置过程
  5. NDP 替代 ARP 的作用

易错点

注意
  • :: 在地址中只能出现一次(否则歧义)
  • IPv6 取消头部校验和,由上层(TCP/UDP)保证
  • IPv6 没有广播,只有单播/组播/任播
  • 分片在 IPv6 中是扩展头部,不在基本头部

核心结论

必背
  1. IPv6 地址 128 位,缩写用 ::(仅一次)
  2. 基本头部固定 40B,取消校验和,分片/选项移入扩展头部
  3. 过渡技术:双栈、隧道、NAT64
  4. SLAAC 用 RS/RA 自动生成全局地址;NDP 替代 ARP

记忆卡片

IPv6 地址长度与缩写?
128 位。前导零省略(0DB8→DB8),连续全零组用 :: 替代(仅一次),如 2001:DB8::1
IPv6 头部相比 IPv4 简化?
固定 40B、取消校验和、取消分片字段与选项字段(移入扩展头部)。
三种 IPv4→IPv6 过渡技术?
双栈(同时运行)、隧道(IPv6 封装进 IPv4)、NAT64(协议翻译)。
SLAAC 自动配置过程?
生成链路本地地址 → 验证唯一 → 发 RS → 路由器 RA 给前缀 → 前缀+接口标识符生成全局地址。

图示 · IPv6 基本头部结构

IPv6 基本头部(固定 40 字节) Ver4bit Traffic8bit Flow Label20bit Payload Len16bit Next Hdr8bit Hop Limit8bit 源地址 Source Address(128 bit) 目的地址 Destination Address(128 bit) 基本头固定 40B;分片/选项不在其中,而是以扩展头部链式挂载。
图:IPv6 基本头部固定 40 字节;源/目的地址各 128 位;校验和与分片字段已被移除。

交互动画 · IPv6 地址格式与报头简化

待播放
IPv6 地址: 128 位 = 8 组 × 16 位十六进制 2001 0DB8 0000 0000 0000 FF00 0042 8329 IPv4 32 位(4 组点分十进制) → IPv6 128 位(8 组冒号分隔十六进制) 2001:0DB8:0000:0000:0000:FF00:0042:8329 2001:DB8:0:0:0:FF00:42:8329 2001:DB8::FF00:42:8329 IPv4 报头(20~60B,有校验和/分片字段) 首部长度 / 标识 / 标志 / 片偏移 首部校验和(逐跳计算) 源地址 32 位 / 目的地址 32 位 IPv6 基本报头(固定 40B) 版本 4b / 流量类型 8b / 流标号 20b 载荷长度 16b / 下一个报头 8b / 跳数限制 8b 源地址 128 位 / 目的地址 128 位 扩展报头: 逐跳选项 / 路由 / 分段(按需串联) 固定 40B 基本头 → 路由器无需逐跳校验和/分片 → 转发更快
演示 IPv6 128 位地址的书写与压缩规则,以及报头简化对比。
前导 0 可省;连续全 0 组压缩为 ::;报头固定 40B。

相关知识点

ipv4-address-classification subnetting-and-cidr

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