3.3 地址問題

　　3.3.1 為什么IPv6協(xié)議的地址長度是128位？

　　有些人也許要問，IPv4地址不夠用，那我在IPv4上再增加幾位地址表示就行了，何必非要是IPv6的128 位呢？這種提問是對芯片設(shè)計及CPU處理方式不理解造成的，同時也對未來網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展沒有充分的預(yù)見性。芯片設(shè)計中數(shù)值的表示我們知道是全用“0”、“1” 代表，CPU處理字長發(fā)展到現(xiàn)在分別經(jīng)歷了4位、8位、16位、32位、64位等，我們知道，在計算機(jī)中，當(dāng)數(shù)據(jù)能用2的指數(shù)次冪字長位的二進(jìn)制數(shù)表示時，CPU對數(shù)值的處理效率最高。IPv4地址對應(yīng)的是32比特字長就是因為當(dāng)時的互聯(lián)網(wǎng)上的主機(jī)CPU字長為32位?，F(xiàn)在的64位機(jī)已十分普及，128 位機(jī)正在成長中。將地址定為64位在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性上顯得不足，定為其它的一個長度在硬件芯片設(shè)計、程序編制方面的效率都將下降，因此從處理效率和未來網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性上考慮，將IPv6的地址長度定為128位是十分合適的。

　　3.3.2 IPv6的128位地址是一個什么概念？

　　IPv6提供128位的地址空間，IPv6所能提供的巨大的地址容量可以從以下幾個方面來說明：

　　共有2128個不同的IPv6地址，也就是全球可分配地址數(shù)為340，282，366，920，938，463，463，374，607，431，768，211，456個；

　　若按土地面積分配，每平方厘米可獲得2.2*1020個地址。

　　IPv6地址耗盡的機(jī)會是很小的。在可預(yù)見的很長時期內(nèi)，IPv6的128位地址長度形成的巨大的地址空間能夠為所有可以想象出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供一個全球唯一的地址，IPv6充足的地址空間將極大地滿足那些伴隨著網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備的出現(xiàn)而對地址增長的需求，例如個人數(shù)據(jù)助理（PDA）、移動電話（Mobile Phone）、家庭網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備（HAN）等。

　　3.3.3 IPv6地址是如何表示的？

　　IPv4地址表示為點(diǎn)分十進(jìn)制格式，32位的地址分成4個8位分組，每個8位寫成十進(jìn)制，中間用點(diǎn)號分隔。而IPv6的128位地址則是以16位為一分組，每個16位分組寫成4個十六進(jìn)制數(shù)，中間用冒號分隔，稱為冒號分十六進(jìn)制格式。例如：21DA:00D3:0000:2F3B:02AA:00FF:FE28:9C5A 是一個完整的IPv6地址。

　　IPv6的地址表示有以下幾種特殊情形：

　　IPv6地址中每個16位分組中的前導(dǎo)零位可以去除做簡化表示，但每個分組必須至少保留一位數(shù)字。如上例中的地址，去除前導(dǎo)零位后可寫成：21DA:D3:0：2F3B:2AA:FF:FE28:9C5A。

　　某些地址中可能包含很長的零序列，為進(jìn)一步簡化表示法，還可以將冒號十六進(jìn)制格式中相鄰的連續(xù)零位合并，用雙冒號“：：”表示?！埃海骸狈栐谝粋€地址中只能出現(xiàn)一次，該符號也能用來壓縮地址中前部和尾部的相鄰的連續(xù)零位。例如地址1080:0：0:0：8:800:200C:417A，0:0：0:0： 0:0：0:1，0:0：0:0：0:0：0:0分別可表示為壓縮格式1080：：8:800:200C:417A，：：1，：： 。

　　在IPv4和IPv6混合環(huán)境中，有時更適合于采用另一種表示形式：x:x：x:x：x:x：d.d.d.d，其中x是地址中6個高階16位分組的十六進(jìn)制值，d是地址中4個低階8位分組的十進(jìn)制值（標(biāo)準(zhǔn)IPv4表示）。例如地址0:0：0:0：0:0：13.1.68.3 ，0:0：0:0：0:FFFF:129.144.52.38 寫成壓縮形式為：：13.1.68.3，：：FFFF.129.144.52.38 。

　　要在一個URL中使用文本IPv6地址，文本地址應(yīng)該用符號“［”和“］”來封閉。例如文本IPv6地址FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210寫作URL示例為

　　［url=http://［fedc:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210］：80/index.html］http://［FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210］：80/index.html［/url］

　　。

　　3.3.4 IPv6地址為128位，配地址豈不是要花費(fèi)很多時間？

　　IPv6協(xié)議支持地址自動配置，這是一種即插即用的機(jī)制。IPv6節(jié)點(diǎn)通過地址自動配置得到IPv6地址和網(wǎng)關(guān)地址。

　　IPv6支持無狀態(tài)地址自動配置和狀態(tài)地址自動配置兩種地址自動配置方式。在無狀態(tài)地址自動配置方式下，需要配置地址的網(wǎng)絡(luò)接口先使用鄰居發(fā)現(xiàn)機(jī)制獲得一個鏈路本地地址。網(wǎng)絡(luò)接口得到這個鏈路本地地址之后，再接收路由器宣告的地址前綴，結(jié)合接口標(biāo)識得到一個全球地址。而狀態(tài)地址自動配置的方式，如動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP），需要一個DHCP服務(wù)器，通過客戶機(jī)/服務(wù)器模式從DHCP服務(wù)器處得到地址配置的信息。

　　3.3.5 IPv6地址都有哪些類型？

　　所有類型的IPv6地址都被分配到接口，而不是節(jié)點(diǎn)。IPv6地址是單個或一組接口的128位標(biāo)識符，有三種類型：

　　（1） 單播（Unicast）地址

　　單一接口的標(biāo)識符。發(fā)往單播地址的包被送給該地址標(biāo)識的接口。對于有多個接口的節(jié)點(diǎn)，它的任何一個單播地址都可以用作該節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識符。IPv6單播地址是用連續(xù)的位掩碼聚集的地址，類似于CIDR的IPv4地址。IPv6中的單播地址分配有多種形式，包括全部可聚集全球單播地址、NSAP地址、IPX分級地址、站點(diǎn)本地地址、鏈路本地地址以及運(yùn)行IPv4的主機(jī)地址。單播地址中有下列兩種特殊地址：

　　不確定地址

　　單播地址0:0：0:0：0:0：0:0稱為不確定地址。它不能分配給任何節(jié)點(diǎn)。它的一個應(yīng)用示例是初始化主機(jī)時，在主機(jī)未取得自己的地址以前，可在它發(fā)送的任何IPv6包的源地址字段放上不確定地址。不確定地址不能在IPv6包中用作目的地址，也不能用在IPv6路由頭中；

　　回環(huán)地址

　　單播地址0:0：0:0：0:0：0:1稱為回環(huán)地址。節(jié)點(diǎn)用它來向自身發(fā)送IPv6包。它不能分配給任何物理接口。

　　（2） 任意播（AnyCast）地址

　　一組接口（一般屬于不同節(jié)點(diǎn)）的標(biāo)識符。發(fā)往任意播地址的包被送給該地址標(biāo)識的接口之一（路由協(xié)議度量距離最近的）。IPv6任意播地址存在下列限制：

　　· 任意播地址不能用作源地址，而只能作為目的地址；

　　· 任意播地址不能指定給IPv6主機(jī)，只能指定給IPv6路由器；

　　IPv6任意播地址

　?。?） 組播（MultiCast）地址

　　一組接口（一般屬于不同節(jié)點(diǎn)）的標(biāo)識符。發(fā)往多播地址的包被送給該地址標(biāo)識的所有接口。地址開始的11111111標(biāo)識該地址為組播地址。

　　IPv6組播地址

　　IPv6中沒有廣播地址，它的功能正在被組播地址所代替。另外，在IPv6中，任何全“0”和全“1”的字段都是合法值，除非特殊地排除在外的。特別是前綴可以包含“0”值字段或以“0”為終結(jié)。一個單接口可以指定任何類型的多個IPv6地址（單播、任意播、組播）或范圍。

　　3.3.6 什么是IPv6的可聚集全球單播地址？

　　IPv6為點(diǎn)對點(diǎn)通信設(shè)計了一種具有分級結(jié)構(gòu)的地址，這種地址被稱為可聚集全球單播地址（Aggregatable Global Unicast Address），它在RFC2374中定義?？删奂刂肪哂腥齻€層次的分級結(jié)構(gòu)：

　　公用拓?fù)洌禾峁┕没ヂ?lián)網(wǎng)傳送服務(wù)的供應(yīng)商和交換局群體；

　　站點(diǎn)拓?fù)洌罕镜氐奶囟ㄕ军c(diǎn)或組織，不提供到本站點(diǎn)以外節(jié)點(diǎn)的公用傳送服務(wù)；

　　接口標(biāo)識符：標(biāo)識鏈路上的接口；

　　可聚集全球單播地址的分級結(jié)構(gòu)劃分如下圖所示。開始3個地址位是地址類型前綴，用于區(qū)別其它地址類型。其后的13位TLA ID、32位NLA ID、16位SLA ID和 64位主機(jī)接口ID，分別用于標(biāo)識分級結(jié)構(gòu)中自上向下排列的TLA （Top Level Aggregator，頂級聚集體）、NLA（Next Level Aggregator，下級聚集體）、SLA（Site Level Aggregator，站點(diǎn)級聚集體）和主機(jī)接口。RES保留，以備將來TLA或NLA擴(kuò)充用。TLA是與長途服務(wù)供應(yīng)商和電話公司相互連接的公共網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，它從國際Internet注冊機(jī)構(gòu)如IANA處獲得地址。NLA通常是大型ISP，它從TLA處申請獲得地址，并為 SLA分配地址。SLA也可稱為訂戶（subscriber），它可以是一個機(jī)構(gòu)或一個小型ISP。SLA負(fù)責(zé)為屬于它的訂戶分配地址。SLA通常為其訂戶分配由連續(xù)地址組成的地址塊，以便這些機(jī)構(gòu)可以建立自己的地址分級結(jié)構(gòu)以識別不同的子網(wǎng)。分級結(jié)構(gòu)的最底層是網(wǎng)絡(luò)主機(jī)。

　　IPv6可聚集全球單播地址

　　設(shè)計這樣的地址格式是為了既支持基于當(dāng)前供應(yīng)商的聚集，又支持被稱為交換局的新的聚集類型。其組合使高效的路由聚集可用于直接連接到供應(yīng)商和連接到交換局兩者的站點(diǎn)上。站點(diǎn)可以選擇連接到兩種類型中的任何一種聚集點(diǎn)。

　　3.3.7 IPv6的地址分配方式與IPv4有什么區(qū)別？

　　IPv4中，地址是用戶擁有的。也就是說，一旦用戶從某機(jī)構(gòu)處申請到一段地址空間，他就永遠(yuǎn)使用該地址空間，而不管他是從哪個因特網(wǎng)服務(wù)提供者（ISP）處獲得服務(wù)。這種方式的缺點(diǎn)是ISP必須在路由表中為每個用戶的網(wǎng)絡(luò)號維護(hù)一條表項。隨著用戶數(shù)的增加，會出現(xiàn)大量無法會聚的特殊路由，即使無類別域間路由（CIDR）也不能處理這樣的路由表爆炸現(xiàn)象。

　　IPv6改變了地址的分配方式，從用戶擁有變成了ISP擁有。全球網(wǎng)絡(luò)號由因特網(wǎng)地址分配機(jī)構(gòu)（IANA）分配給ISP，用戶的全球網(wǎng)絡(luò)地址是ISP地址空間的子集。每當(dāng)用戶改變ISP時，全球網(wǎng)絡(luò)地址必須更新為新ISP提供的地址。這樣ISP能有效地控制路由信息，避免路由爆炸現(xiàn)象的出現(xiàn)。

　　3.3.8 一臺IPv6主機(jī)有多少地址？

　　通常一臺IPv6主機(jī)有多個IPv6地址，即使該主機(jī)只有一個單接口。一臺IPv6主機(jī)可同時擁有以下幾種單點(diǎn)傳送地址：

　　· 每個接口的鏈路本地地址；

　　· 每個接口的單播地址（可以是一個站點(diǎn)本地地址和一個或多個可聚集全球地址）；

　　· 回環(huán)（loopback）接口的回環(huán)地址（：：1）。

　　此外，每臺主機(jī)還需要時刻保持收聽以下多點(diǎn)傳送地址上的信息：

　　· 節(jié)點(diǎn)本地范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)組播地址（FF01：：1）；

　　· 鏈路本地范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)組播地址（FF02：：1）；

　　· 請求節(jié)點(diǎn)（solicited-node）組播地址（如果主機(jī)的某個接口加入請求節(jié)點(diǎn)組）；

　　· 組播組組播地址（如果主機(jī)的某個接口加入任何組播組）。

　　3.3.9 一臺IPv6路由器有多少地址？

　　一臺IPv6路由器可被分配以下幾種單點(diǎn)傳送地址：

　　· 每個接口的鏈路本地地址；

　　· 每個接口的單播地址（可以是一個站點(diǎn)本地地址和一個或多個可聚集全球地址）；

　　· 子網(wǎng)-路由器任意播地址；

　　· 其他任意播地址（可選）；

　　· 回環(huán)接口的回環(huán)地址（：：1）。

　　同樣，除以上這些地址外，路由器需要時刻保持收聽以下多點(diǎn)傳送地址上的信息流：

　　· 節(jié)點(diǎn)本地范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)組播地址（FF01：：1）；

　　· 節(jié)點(diǎn)本地范圍內(nèi)的所有路由器組播地址（FF01：：2）；

　　· 鏈路本地范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)組播地址（FF02：：1）；

　　· 鏈路本地范圍內(nèi)的所有路由器組播地址（FF02：：2）；

　　· 站點(diǎn)本地范圍內(nèi)的所有路由器組播地址（FF05：：2）；

　　· 請求節(jié)點(diǎn)（solicited-node）組播地址（如果路由器的某個接口加入請求節(jié)點(diǎn)組）；

　　· 組播組組播地址（如果路由器的某個接口加入任何組播組）。

　　3.4 地址自動配置技術(shù)

　　3.4.1 IPv6如何實(shí)現(xiàn)“即插即用”？

　　“即插即用”是指無需任何人工干預(yù)，就可以將一個節(jié)點(diǎn)插入IPv6網(wǎng)絡(luò)并在網(wǎng)絡(luò)中啟動，IPv6使用了兩種不同的機(jī)制來支持即插即用網(wǎng)絡(luò)連接：啟動協(xié)議（BOOTstrap Protocol，BOOTP）和動態(tài)主機(jī)配置協(xié)議（DHCP）。這兩種機(jī)制允許IP節(jié)點(diǎn)從特殊的BOOTP服務(wù)器或DHCP服務(wù)器獲取配置信息。這些協(xié)議采用“狀態(tài)自動配置”（Stateful Autoconfiguration），即服務(wù)器必須保持每個節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息，并管理這些保存的信息。

　　狀態(tài)自動配置的問題在于，用戶必須保持和管理特殊的自動配置服務(wù)器以便管理所有“狀態(tài)”，即所容許的連接及當(dāng)前連接的相關(guān)信息。對于有足夠資源來建立和保持配置服務(wù)器的機(jī)構(gòu)，該系統(tǒng)可以接受；但是對于沒有這些資源的小型機(jī)構(gòu)，工作情形較差。

　　3.4.2 除了狀態(tài)自動配置，IPv6還提供什么自動配置服務(wù)？

　　除了狀態(tài)自動配置，IPv6還采用了一種被稱為無狀態(tài)自動配置（Stateless Auto Configuration）的自動配置服務(wù)。RFC2462中描述了IPv6的無狀態(tài)自動配置。無狀態(tài)自動配置要求本地鏈路支持組播，而且網(wǎng)絡(luò)接口能夠發(fā)送和接收組播包。無狀態(tài)自動配置過程要求節(jié)點(diǎn)采用如下步驟：

　　首先，進(jìn)行自動配置的節(jié)點(diǎn)必須確定自己的鏈路本地地址；

　　然后，必須驗證該鏈路本地地址在鏈路上的唯一性；

　　最后，節(jié)點(diǎn)必須確定需要配置的信息。該信息可能是節(jié)點(diǎn)的IP地址，或者是其他配置信息，或者兩者皆有。如果需要IP地址，節(jié)點(diǎn)必須確定是使用無狀態(tài)自動配置過程還是使用狀態(tài)自動配置過程來獲得。

　　具體地說，在無狀態(tài)自動配置過程中，主機(jī)首先通過將它的網(wǎng)卡MAC地址附加在鏈路本地地址前綴1111111010之后，產(chǎn)生一個鏈路本地單播地址（IEEE已經(jīng)將網(wǎng)卡MAC地址由48位改為了64位。如果主機(jī)采用的網(wǎng)卡的MAC地址依然是48位，那么IPv6網(wǎng)卡驅(qū)動程序會根據(jù)IEEE的一個公式將48位MAC地址轉(zhuǎn)換為64位MAC地址）。接著主機(jī)向該地址發(fā)出一個鄰居發(fā)現(xiàn)請求（Neighbor Discovery Request），以驗證地址的唯一性。如果請求沒有得到響應(yīng)，則表明主機(jī)自我配置的鏈路本地單播地址是唯一的。否則，主機(jī)將使用一個隨機(jī)產(chǎn)生的接口ID 組成一個新的鏈路本地單播地址。然后，以該地址為源地址，主機(jī)向本地鏈路中所有路由器多點(diǎn)傳送一個路由器請求（Router Solicitation）來請求配置信息，路由器以一個包含一個可聚集全球單播地址前綴和其它相關(guān)配置信息的路由器宣告（Router Advertisement）作為響應(yīng)。主機(jī)用它從路由器得到的全球地址前綴加上自己的接口ID，自動配置全球地址，然后就可以與Internet中的其它主機(jī)通信了。

　　如果沒有路由器為網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)服務(wù)，也就是本地網(wǎng)絡(luò)孤立于其他網(wǎng)絡(luò)，則節(jié)點(diǎn)必須尋找配置服務(wù)器來完成其配置；否則，節(jié)點(diǎn)必須偵聽路由器宣告報文。這些報文周期性地發(fā)往所有主機(jī)的組播地址，以指明諸如網(wǎng)絡(luò)地址和子網(wǎng)地址等配置信息。節(jié)點(diǎn)可以等待路由器宣告，也可以通過發(fā)送組播請求給所有路由器的組播地址來請求路由器發(fā)送宣告。一旦收到路由器的響應(yīng)，節(jié)點(diǎn)就可以使用響應(yīng)的信息來完成自動配置。

　　使用無狀態(tài)自動配置，無需手動干預(yù)就能夠改變網(wǎng)絡(luò)中所有主機(jī)的IP地址。例如，當(dāng)企業(yè)更換了聯(lián)入Internet的ISP時，將從新ISP處得到一個新的可聚集全球地址前綴。ISP把這個地址前綴從它的路由器上傳送到企業(yè)路由器上。由于企業(yè)路由器將周期性地向本地鏈路中的所有主機(jī)多點(diǎn)傳送路由器宣告，因此企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中所有主機(jī)都將通過路由器宣告收到新的地址前綴，此后，它們就會自動產(chǎn)生新的IP地址并覆蓋舊的IP地址。