[计算机网络] IPv6

1 IPv6 概述

引言

近期突发奇想，能不能用 IPv6 的公网地址，给家里的 NAS 做内网穿透。

技术上是可行的。只是必须确保是 IPv6 的公网地址。

大学学的 IPv6 的知识，早就抛到九霄云外了，故此需要重新学习，并记录之。

1.1 诞生的由来：32位的`IPv4`数量受限，已分配殆尽

192.168.1.1，这个数字串对我们大部分人来说并不陌生，它是一个广泛使用的IPv4私有地址。很可能你家中的路由器管理页面就设置在了这个地址上。路由器可能会为你的电脑分配类似的私有IP地址。但是，私有IP地址仅能在局域网内部的设备间使用。要想访问互联网，必须采用公网IP地址。
电脑能够仅凭私有IP地址访问公网IP的互联网，得益于NAT（网络地址转换）技术的应用。然而，NAT只是一个十分蹩脚的解决方案，对P2P连接或者游戏来说严重恶化了网络环境。相对而言，IPv6提供了一个无需NAT的互联网世界，能够为每一台网络设备分配一个或多个公网IP地址，实现真正的万物互联，这也是互联网最初的设想。
常见的家庭网络环境中，通常包括运营商提供的宽带连接、光猫以及用户自行购买的路由器构成。路由器通过PPPoE拨号获取运营商分配的公网IPv4地址，同时作为局域网的网关，拥有自己的内网IP地址，例如192.168.1.1。家中的所有网络设备都会连接到这台路由器，而路由器负责为每一台设备分配内网IP地址以及其他如默认网关、DNS等信息。

在访问例如百度这样的外部资源时，浏览器首先向DNS服务器请求解析baidu.com的IP地址。随后，浏览器向该IP地址发送请求，以获取百度首页的数据。由于电脑使用的是局域网内的私有IP地址，路由器需要通过NAT将请求中的源IP地址转换为公网IP地址，才能将请求发送到互联网上。这一过程虽然解决了IPv4地址不足的问题，但也带来了网络通信复杂性增加、网络对等连接破坏等诸多问题。
IPv6的引入旨在解决IPv4地址耗尽的问题。与IPv4的地址空间（2^{32个地址）相比，IPv6提供了几乎无限的地址空间（2}128个地址），这使得每一台设备都可以拥有一个或多个公网IP地址，从而无需NAT即可实现设备间的直接通信。
对于家庭网络的IPv6部署而言，配置过程要略微复杂一些。首先，需要确保你的路由器支持IPv6。大多数近两年内购买的路由器默认开启了IPv6支持。路由器通过PPPoE拨号，从运营商那里获取一个公网IPv4地址。同时，由于开启了IPv6，路由器还会获得一个公网IPv6地址以及一个IPv6前缀。
小结：IPv6的诞生

为扩大网络以满足未来需求，必须能够提供无限的IP地址并改善移动性.

IPv6 扩大了地址空间，并使用了效率更高，功能更丰富的报头.

虽然IPv6类似于IPv4，但它满足IPv4无法支持的日益负责的层次编址需求.

IPv4 vs IPv6

对比项	IPv4	IPv6
长度	32 bit	128 bit

1.2 IPv6的地址结构

表示方法

IPv6有128位，每四位用0~f的一个字符表示，那么共有32个字符，然后每四个字符为一组，用冒号:分开，那么共有八组。

比如，一个IPv6地址如下：

1234:5678:9abc:def0:aaaa:aaaa:aaaa:aaaa

一个IPv6地址中可能连续多个组中的字符都为0，那么，此时我们可以把连续为0的组压缩为::，比如1234:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001可以表示为1234::0001

另外，一个组中最前面的字符0也可以省略，比如上面的1234::0001也可以表示为1234::1

IPv6地址结构

IPV6基本包头

IPv6包头由一个IPv6基本包头（必须存在）和多个扩展包头（可能不存在）组成

Version：版本号，长度为4 bit。对于IPv6，该值为6。
Traffic Class：流类别，长度为8 bit。
Flow Label：流标签，长度为20 bit。
Payload Length：有效载荷长度，长度为16 bit。
Next Header：下一个包头，长度为8 bit。
Hop Limit：跳数限制，长度为8 bit。定义了IP数据包所能经过的最大跳数。每经过一个路由器，该数值减去1，当该字段的值为0时，数据包将被丢弃。
Source Address：源地址，长度为128 bit。表示发送方的地址。
Destination Address：目的地址，长度为128 bit。表示接收方的地址。

IPV6拓展包头

Extension Header Length：扩展包头长度，长度为8 bit。表示扩展包头的长度（不包含Next Header字段）。
Extension Header Data：扩展包头数据，长度可变。扩展包头的内容，为一系列选项字段和填充字段的组合。

IPv6 简化表示规则

每一个段中开头的0可以省略不写，但中间和末尾的0不能省略；

原始IPv6地址: 3ffe:1944:0100:000a:0000:00bc:2500:0d0b
简化后IPv6地址: 3ffe:1944:100:a:0:bc:2500:d0b

如果某段或连续几段全是0，则可以使用一个“::”来代替。

原始IPv6地址： ff02:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0005
简化后IPv6地址： ff02::5

如果128位全部为0的地址，则可以使用一个“::”来表示。

原始IPv6地址: 0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000
简化后IPv6地址：::

在IPv6地址中，只能使用一次双冒号。

例如：2001:0d02:0000:0000:0014:0000:0000:0095，以下两种缩写方式都是正确的：
2001:d02::14:0:0:95
2001:d02:0:0:14::95

但下面这种缩写方式是错误的：
2001:d02::14::95

可以表示下面任何一个可能的IPv6地址：

2001:0d02:0000:0000:0014:0000:0000:0095
2001:0d02:0000:0000:0000:0014:0000:0095
2001:0d02:0000:0014:0000:0000:0000:0095

IPV6中的%号

IP地址255.255.255.0fe80::98f0:7fff:fe64:1220%20
IPv6地址中的百分号是网卡/interface标识。这个表示该地址仅限于标号为21的网络接口（一般指网卡或者虚拟网卡）。而在其他网络接口这个地址是无效的。

IPv6接口标识的生成方法

接口标识可通过三种方法生成:

方法1：手工配置
方法2：系统自动生成
方法3：IEEE EUI-64规范生成：将接口的MAC地址转换为IPv6接口标识(MAC地址转化为二进制，第7bit取反，中间插FFFE)
MAC地址：3C-52-82-49-7E-9D
MAC地址二进制：00111100-10010010-10000010 - 01001001-01111110-10011101
第7bit取反,中间插入FFFE
IEEE EUI-64（二进制）：00111110-10010010-10000010-11111111-11111110-01001001-01111110-10011101
IEEE EUI-64（IPV6）： 3E-52-82-FF-FE-49-7E-9D

IPv6 地址分类

小结

任何以 ::、fc、fd、fe 开头的地址都无法接入 IPv6 互联网。

单播地址：标识单个节点。

GUA/全局单播地址/可聚合全球单播地址。

该类地址全球唯一，用于需要有互联网访问需求的主机，相当于IPv4的公网地址。通常，GUA的网络部分长度为64 bit，接口标识也为64 bit

全局单播地址通常由 48 位全球路由前缀和 16 位子网 ID 组成再加上64位的接口ID组成。
各组织可以使用 16 位子网字段创建自己的本地编址架构。
此字段允许组织使用最多 65,535 个子网。

以 2000::/3 开头，由 IANA 分配

例：2001::1/64     2001:1::1/64       2001:2::1/64

ULA/IPv6私网地址

只能够在内网中使用。该地址空间在IPv6公网中不可被路由，因此，不能直接访问公网。本地地址使用FC00::/7地址块
即：在IPv4，有内网地址（10.0.0.0/8等）和外网地址，IPv6也有。IPv6的内网地址的前缀为
fc00::/7 # 1111 1100 与 1111 1101
换言之，以fc、fd开头的地址，都是内网地址————内网地址无法在公网中进行路由

LLA/链路地址

IPv6中还有一类特殊的地址叫链路地址，该类地址不能跨VLAN路由。也就是说，该类地址只能在同一个子网中的主机之间相互访问。
该类地址的前缀为FE80::/10
fe80::/10 # 1111 1110 1000
换言之，以fe8、fe9、fea、feb开头的地址，都是链路地址。

链路本地地址是受限制的，只能与同一链路的节点通信，它们都是使用链路本地前缀FE80::/10和一个64位接口ID创建的。

链路本地地址是用来做自动配置、邻居发现和路由器发现

FE80::FE80::20C:85FF:FE00:7D07

loopback地址/本机回环地址

在IPv4中，127.0.0.1表示回环地址，每台主机的lo网卡都是这个地址。
在IPv6中，回环地址为::1

多播地址：标识一组节点。
任意播地址：标识一组节点，源节点的数据流被转发到组里离源最近的节点。

注：任意播地址来自全局单播地址
多台设备使用相同的任意播地址

特殊地址

本地环回地址：::1

类比，IPv4的本机回环地址：127.0.0.1
任意网络：::（全0）

1.3 IPv6的特点

IPv6 特性

更大地址空间

IPv6 地址长 128 位, IPv4地址为 32 位.
IPv6 巨大的地址空间比整个 IPv4 地址空间大，可以满足这个星球上每一个人.

地址层次化分配：相较于IPv4地址，IPv6地址的分配更加规范，利于路由聚合（缩减IPv6路由表规模）、路由快速查询。
即插即用：IPv6支持无状态地址自动配置（SLAAC），终端接入更简单
简化的报文头部：简化报文头，提高效率；通过扩展包头支持新应用，利于路由器等网络设备的转发处理，降低投资成本
安全性：IPsec、真实源地址认证等保证端到端安全；避免NAT破坏端到端通信的完整性
移动性：对移动网络实时通信有较大改进，整个移动网络性能有比较大的提升。
QoS特性：额外定义了流标签字段，可为应用程序或者终端所用，针对特殊的服务和数据流，分配特定的资源
无需 NAT

更大的地址空间似的无需NAT(网络地址转换)就能进行端到端通信

NAT（Network Address Translation），是指网络地址转换，1994年提出的。NAT是用于在本地网络中使用私有地址，在连接互联网时转而使用全局 IP 地址的技术。NAT实际上是为解决IPv4地址短缺而开发的技术。 [3]

NAT旨在通过将一个外部 IP 地址和端口映射到更大的内部 IP 地址集来转换 IP 地址。基本上，NAT 使用流量表将流量从一个外部（主机）IP 地址和端口号路由到与网络上的终结点关联的正确内部 IP 地址。

NAT路由器:

其工作在网络层。‌NAT（Network Address Translation，网络地址转换）是一种技术，允许专用网内部的主机通过NAT路由器将其本地地址（私网IP地址）转换成全球IP地址（公网IP地址），以便与因特网上的主机进行通信。

NAT路由器工作在OSI（Open Systems Interconnection）模型的第三层，即网络层，这是因为它直接对IP地址进行操作，而IP地址是网络层的关键组成部分。‌

交换机是否具备NAT功能：大部分不具备，少量高端机型具备

参考：FAQ-交换机是否支持NAT，如何才能支持 - Huawei Cloud

作为网络设备的一种，交换机主要用于局域网络中的数据包交换。它能够根据设备的MAC地址将数据包转发到特定的端口，使得数据能够在局域网中高效地传输。然而，与路由器相比，交换机在以下几个方面存在一些功能上的限制：

交换机的功能受限于其工作层次。交换机工作在OSI模型的第二层（数据链路层），主要负责数据帧的转发和广播。它无法对网络层的数据包进行处理和转发。而路由器则能够在OSI模型的第三层（网络层）上工作，具备识别不同网络之间的IP地址和路由表，能够实现不同网络之间的数据包转发和数据包过滤等功能。

交换机缺乏网络地址转换（NAT）功能。网络地址转换(NAT)是一种将私有IP地址转换成公共IP地址以在互联网上进行通信的技术。路由器通常具备NAT功能，能够管理内部和外部网络之间的通信，提供更好的网络安全性和隐私保护。但是交换机一般不具备NAT功能，无法实现对内部网络的地址转换和管理。

交换机缺乏广域网连接的功能。广域网连接是指将不同地理位置的局域网连接到一起，实现远程通信和资源共享。路由器通常具备接入广域网的功能，能够实现不同网络之间的通信和数据交换。而交换机主要用于局域网内的通信，无法用于远程网络之间的连接。

交换机的安全性相对较低。由于交换机主要负责局域网内的数据包转发，对于局域网之外的安全威胁相对无能为力。而路由器能够通过防火墙、访问控制列表等安全性配置来保护网络的安全。它能够对数据包进行过滤、检查和控制，提供网络的安全保护。

NAT地址转换的主要类型：

‌静态NAT‌：一对一的地址转换，某个私网IP地址只能转换为某个公网IP地址，适用于需要外部网络访问的特定设备。
‌>> + 动态NAT‌：基于地址池动态转换，所有被授权访问Internet的私有IP地址可以随机转换为任何指定的合法IP地址。
‌>> + 动态端口地址转换（PAT）‌：多个私网IP地址映射到同一个公网IP地址和端口上，实现地址复用，适用于内部网络的所有主机共享一个合法外部IP地址。
‌‌>> + Easy IP‌：直接使用公网接口的IP地址作为NAT转换后的地址，适用于拨号的场景。
‌‌>> + NAT Server‌：实现公网IP地址和端口与私网IP地址和端口之间的映射关系，实现外网访问内网服务。

配置NAT地址转换的方法：

‌静态NAT‌：配置命令如 nat static global <自定义公网IP> inside <私网IP>。‌
‌>> + 动态NAT‌：配置命令如 nat address-group 1 200.10.10.1 200.10.10.200 和 acl 2000。
‌>> + Easy IP‌：配置命令如 nat outbound 2000。
‌>> + NAT Server‌：配置命令如 nat server protocol tcp global <自定义公网IP> <外网端口> inside <私网IP> <内网端口>。
通过这些配置方法，可以实现内部网络与外部网络的互通，解决IP地址不足的问题，并提高网络的安全性

没有广播地址

IPv6 包括单播地址，多播地址和任意播地址.

支持移动性和安全性

有助于确保遵循移动 IP 标准和 IPsec s标准.

更简单的报头提高了路由器的效率

IPv6 新特性

修改前缀

IPv6 提高了一种简化的地址和前缀修改机制.

每个接口多个地址

一个IPv6接口可以分配多个不同类型的地址，并可同时使用.

链路本地地址

交换路由更新时，IGP将 link-local 地址用作下一跳.

无状态自动配置:

DHCP并不是必需的,因为一个IPv6设备能根据本身分配一个独特link-local IPv6的地址.

独立或不独立于提供商的编址

1.4 IPV6报文处理链路

始发路由器（按需构造IPV6报文）———— 中间路由器（处理基本包头和逐条选项包头）————终点路由器（处理所有包头）

1.5 IPv6所需支持项

网卡适配器支持

网络路由器支持

在路由器启用 IPv6 协议

# 在路由器上启用IPv6协议
R(config)#ipv6 unicast-routing

# 为接口指定IPv6地址
R(config)#interface f0/0
R(config-if)#ipv6 address 2001::1/64|2001::/64 eui-64


# 查看命令
show ipv6 interface brief
show ipv6 route

DNS 服务器支持

应用服务器支持

用户浏览器支持

由于IPv6网络使用范围不是特别大，因此许多浏览器将默认配置禁用了IPv6功能。例如：Google Chrome就是如此，即便我们接入IPv6网络后，依然无法使用IPv6相关功能。
360 浏览器 : 支持
QQ 浏览器 : 支持
Chrome ：支持，但需用户主动开启

为了使用Chrome的IPv6功能，我们需要对Chrome进行配置修改，以开启IPv6。

step1 在Chrome的地址栏输入：about:net-internals/#dns 或 chrome://net-internals/#dns

step2 点击Enable Ipv6按钮。至此，我们的Chrome已可以正常使用IPv6，再次登录 test.ipv6s.com 后，各项功能均恢复正常了！
如果你认为启用ipv6对你造成了影响，也可以关闭掉。方法是：右键chrome的快捷方式，点击“属性”，在“目标”地址后面加上 --disable-ipv6 ，重启chrome即可。例如：

cd /opt/google/chrome
sudo gedit google-chrome

# exec -a "$0" "$HERE/chrome" "--enable-ipv6" "$@"
# exec -a "$0" "$HERE/chrome" "--disable-ipv6" "$@"

或：
C:\Users\xxxxxx\AppData\Local\Google\Chrome\Application\chrome.exe --disable-ipv6

chrome常用参数

--enable-ipv6
启用ipv6
--disable-ipv6
禁用ipv6

例如: 

--disable-async-dns

--disable-images
禁用图片

--disable-javascript
禁用javascript

--disable-logging
禁止自动登录

--disable-sync
禁用自动同步

--disk-cache-dir
ex:”chrome.exe” –disk-cache-dir=”X:/”
指定缓存目录

--disable-java
禁用java

--disk-cache-size
缓存容量

用户的电脑支持

IPv6核心配置

使能IPV6：IPV6
进入接口：interface GigabitEthernet 0/0/0
使能设备转发IPv6单播报文：ipv6 enable
配置接口的链路本地地址：ipv6 address auto link-local（自动模式）
配置接口全球单播地址：ipv6 address auto（自动模式）
使能系统发布RA报文功能：undo ipv6 nd ra halt
查询接口IPV6信息：display interface brief
查看邻居表信息：display ipv6 neighbors

CENTOS Linux

参考 https://www.golinuxcloud.com/how-to-configure-ipv6-address-in-linux-rhel-centos-7/

以下为centos虚拟机上/etc/sysconfig/network-scripts/ifcfg-ens33配置文件的一个示例：

TYPE=Ethernet
PROXY_METHOD=none
BROWSER_ONLY=no
BOOTPROTO=static
DEFROUTE=yes
IPV4_FAILURE_FATAL=no
IPV6INIT=yes
IPV6_AUTOCONF=no
IPV6_DEFROUTE=yes
IPV6_FAILURE_FATAL=no
IPV6ADDR=fd92::102/64
#IPV6_ADDR_GEN_MODE=stable-privacy
NAME=ens33
#UUID=2c8f88f4-54d4-4adc-b1bf-8351e6810982
DEVICE=ens33
ONBOOT=yes
IPADDR=192.168.92.102
MASK=255.255.255.0
GATEWAY=192.168.92.2
DNS1=114.114.114.114

Windows

Windows 启用/禁用IPv6

控制面板\网络和 Internet\网络和共享中心\（选择一个活动的以太网连接）\(双击)连接-(点击)属性，查看以太网属性

或者：控制面板\网络和 Internet\网络和共享中心-更改适配器设置\（选择一个活动的以太网连接）\(右键)属性`，查看以太网属性

找到Internet协议版本6（TCP/IPv6）选项，勾选或取消勾选即可

IPv6支持情况测验

Windows电脑

Windows电脑

控制面板\网络和 Internet\网络和共享中心\（选择一个活动的以太网连接）\(双击)连接-查看IPv6连接的状态信息

不支持 IPv6 的以太网连接

支持 IPv6 的以太网连接

命令行工具

$ ping -6 fd15::101
$ curl -6 "http://\[fd15::101\]:8080"
$ telnet fd15::101 8080

测验网站

测验网站：

http://ipv6.google.com
https://test.ipv6s.com 【推荐】

https://ipv6-test.com 【推荐】

IPv6-test.com 是一项免费服务，可检查您的 IPv6 和 IPv4 连接和速度。诊断连接问题，发现您当前正在使用哪些地址浏览互联网，以及当 v6 和 v4 都可用时您的浏览器选择的协议是什么。

http://test-ipv6.com/index.html.zh_CN

https://findipv6.com/find

形如：https://findipv6.com/find/2400:DA00:2::29

https://ipv6.ustc.edu.cn/onlinechecklog.php?h=ipv6.baidu.com

这里以百度为例

Y 政策/报告

关于印发《全国重点城市IPv6流量提升专项行动工作方案》的通知 - 中央网信办、工信部

2024.8.2

https://www.google.cn/ipv6/statistics.html 【推荐】

IPv6 分布趋势的近实时分析报告

X 参考文献

ipv6.baidu.com 访问地址：2400:da00:2::29
...

https://dudns.baidu.com/support/localdns/Address/index.html

百度的公共DNS的IP

network - IPv6 | 看云【推荐】
网络基础——IPV6地址及介绍 - CSDN 【推荐】

posted @ 2024-08-20 12:14 千千寰宇阅读(1042) 评论(0) 收藏举报

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千千寰宇

大数据与Java软件开发从业者，数智化转型实践者。

[计算机网络] IPv6

1 IPv6 概述

引言

1.1 诞生的由来：32位的`IPv4`数量受限，已分配殆尽

IPv4 vs IPv6

1.2 IPv6的地址结构

表示方法

IPv6地址结构

IPV6基本包头

IPV6拓展包头

IPv6 简化表示规则

IPV6中的%号

IPv6接口标识的生成方法

IPv6 地址分类

1.3 IPv6的特点

IPv6 特性

IPv6 新特性

1.4 IPV6报文处理链路

1.5 IPv6所需支持项

网卡适配器支持

网络路由器支持

DNS 服务器支持

应用服务器支持

用户浏览器支持

用户的电脑支持

IPv6核心配置

CENTOS Linux

Windows

IPv6支持情况测验

Windows电脑

命令行工具

测验网站

Y 政策/报告

X 参考文献

公告

千千寰宇

大数据与Java软件开发从业者，数智化转型实践者。

[计算机网络] IPv6

1 IPv6 概述

引言

1.1 诞生的由来：32位的IPv4数量受限，已分配殆尽

IPv4 vs IPv6

1.2 IPv6的地址结构

表示方法

IPv6地址结构

IPV6基本包头

IPV6拓展包头

IPv6 简化表示规则

IPV6中的%号

IPv6接口标识的生成方法

IPv6 地址分类

1.3 IPv6的特点

IPv6 特性

IPv6 新特性

1.4 IPV6报文处理链路

1.5 IPv6所需支持项

网卡适配器支持

网络路由器支持

DNS 服务器支持

应用服务器支持

用户浏览器支持

用户的电脑支持

IPv6核心配置

CENTOS Linux

Windows

IPv6支持情况测验

Windows电脑

命令行工具

测验网站

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X 参考文献

公告

1.1 诞生的由来：32位的`IPv4`数量受限，已分配殆尽