Jack Jiang

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本文来自微信技术架构部的原创技术分享。


1、前言


普及IPV6喊了多少年了,连苹果的APP上架App Store也早已强制IPV6的支持,然并卵,因为历史遗留问题,即使在IPV4地址如果饥荒的情况下,所谓的普及还是遥遥无期。但不可否认的是,IPV6肯定是未来趋势,做为网络通信领域的程序员来说,详细学习和了解IPV6是很有必要的,所谓厚积薄发,谁知道哪天IPV6真的普及了呢?那么,我们开始看正文吧。

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2、系列文章


文章太长,分为两篇来讲,本文是2篇文章中的第1篇:


本文是系列文章中的上篇,主要讲解IPV6的基本概念。

3、正文引言


2017年11月26日,中共中央办公厅和国务院办公厅印发了《推荐互联网协议第六版(IPv6)规模部署行动计划》,并发出通知,要求各地区各部门结合实际认真贯彻落实。这条新闻传达了一个很重要的信息:这个是推进中国IPv6发展的战略总动员令。

本文将会从以下几个方面进一步介绍IPv6,包括有:

  • 1)IPv6的基本概念;
  • 2)IPv6在Linux操作系统下的实现;
  • 3)IPv6的实验;
  • 4)IPv6的过渡技术介绍;
  • 5)IPv6在Linux平台下socket编程应该注意的问题;
  • 6)实现简易版TGW支持IPv6雏形demo。

值得说的是,目前我们接触得比较多的主流操作系统内核,已经很好地支持IPv6协议栈,例如:

  • Windows: windows 7、windows 8.x、windows 10,默认开启IPv6;
  • Linux: 内核2.6.x、内核3.x、内核4.x 已经支持IPv6(需要手动开启);
  • iOS:IOS9开始已经支持IPv6 Only,2016年苹果已经强制要求app必须支持IPv6。

本系列文章提到的IPv6节点,没有特殊说明,一般指的是纯IPv6节点(IPv6 Only),也就是只支持IPv6协议栈。IPv4节点,是指纯IPv4的节点,也就是只支持IPv4协议栈。如果节点支持IPv6和IPv4双栈,会指明是双栈节点。

本文是系列文章中的上篇,主要讲解IPV6的基本概念,其它内容将在下篇《IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(下篇)》中详细讲解。

众所周知,32位的IPv4地址已经耗竭,IPv6采用128位的地址长度拥有更大的地址空间。首先我们先来认识一下IPv6到底长成什么样子。

4、初识IPv6


IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_1.png 
▲ 图1:IPv6数据报文

上图是我们最熟悉的ping的IPv6版本ICMPv6,可以看到,IPv6数据报文和IPv4有很大的差别:

  • 1)数据链路层(L2)的type字段标识为 0x86dd,表示承载的上层协议是IPv6(IPv4对比:type字段为0x0800);
  • 2)IPv6的头部字段,和IPv4差别巨大(可以猜测到,IPv6和IPv4无法兼容)。

IPv6的报文头部格式如下:
IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_2.png 
▲ 图2:IPv6报文头部

IPv6报文头部更精简了,字段更少了,对比起IPv4,有以下几个地方值得注意:

  • 1)IPv6报文头部是定长(固定为40字节),IPv4报文头部是变长的。这个意味着,写代码处理IPv6数据报文的效率会提高很多:);
  • 2)IPv6中Hop Limit字段含义类似IPv4的TTL;
  • 3)IPv6中的Traffic Class字段含义类似IPv4中的TOS(Type Of Service);
  • 4)IPv6的报文头部取消了校验和字段:取消这个字段也是对IPv4协议的一个改进。当IPv4报文在网路间传输,每经过一个路由器转发就是修改TTL字段,就需要重新计算校验和,而由于数据链路层L2和传输层L4的校验已经足够强壮,因此IPv6取消这个字段会提高路由器的转发效率。值得一提的是,在IPv6协议下,传输层L4协议UDP、TCP是强制需要进行校验和的(IPv4是可选的);
  • 5)IPv6报文头部中的Next Header字段表示“承载上一层的协议类型”或者“扩展头部类型”。

这里的含义与IPv4有很大的差别,需要加以解释:

  • 当IPv6数据报文承载的是上层协议ICMPv6、TCP、UDP等的时候,Next Header的值分别为58、6、17,这个时候和IPv4报文头部中的Protocol字段很类似;
  • 当不是以上3种协议类型的时候,IPv6报文头部紧接的是扩展头部。扩展头部是IPv6引入的一个新的概念,每个IPv6的数据报文可以承载0个或多个扩展头部,扩展头部通过链表的形式组织起来。当IPv6数据报文承载着扩展头部的时候,Next Header的数值为扩展头部的类型值。

为什么要引入扩展头部这个概念,这里也是IPv6对IPv4改进的一个方面,用扩展头部取代了IPv4的可选项信息,精简了IPv6的头部,增强了IPv6的扩展性。有同学会不会有疑问,IPv6的分片数据报文怎么处理?其实就是使用了IPv6扩展头部。我们来抓一个UDP分片报文来看看。

IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_3.png 
▲ 图3:IPv6分片报文

当发送一个分片IPv6数据报文的时候,IPv6使用的是扩展头部的形式组织各个分片的信息,如图IPv6报文头部Next Header字段值为44表示存在扩展头部,扩展头部是IPv6分片数据信息。

对比IPv4,分片信息是记录在IPv4报文头部的分片字段中。

IPv6的扩展头部类型有很多种,除了上述的分片头部,还有路由头部、逐跳可选头部等,具体的可以参考RFC2460

本章主要介绍了IPv6的一些很直观的认识,下面逐渐介绍IPv6上的基本知识和概念。

5、IPv6的地址语法


一个IPv6的地址使用冒号十六进制表示方法:128位的地址每16位分成一段,每个16位的段用十六进制表示并用冒号分隔开,例如:
一个普通公网IPv6地址:2001:0D12:0000:0000:02AA:0987:FE29:9871

IPv6地址支持压缩前导零的表示方法,例如上面的地址可以压缩表示为:
200112:0:0:2AA:987:FE29:9871

为了进一步精简IPv6地址,当冒号十六进制格式中出现连续几段数值0的位段时,这些段可以压缩为双冒号的表示,例如上面的地址还可以进一步精简表示为:
[pquote]200112::2AA:987:FE29:9871

又例如IPv6的地址FF80:0:0:0:FF:3BA:891:67C2可以进一步精简表示为: 
FE80::FF:3BA:891:67C2

这里值得注意的是:双冒号只能出现一次

6、IPv6地址的号段划分和前缀表示法


IPv6拥有128位巨大的地址空间,对于那么大的空间,也不是随意的划分,而是使用按照bit位进行号段划分(与鹅厂内部一些的64位uin改造放号的zone划分算法)。

IPv6的地址结构如下图:
IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_111.jpg
▲ 图4:IPv6地址结构

例如RFC4291中定义了n=48, m=16,也就是子网和接口ID与各占64位。

IPv6支持子网前缀标识方法,类似于IPv4的无分类域间路由CIDR机制(注意:IPv6没有子网掩码mask的概念)。

使用“IPv6地址/前缀长度”表示方法,例如:

  • 2001:C3:0:2C6A::/64表示一个子网;
  • 而2001:C3:0:2C6A:C9B4:FF12:48BC:1A22/64表示该子网下的一个节点地址。

可以看到,一个IPv6的地址有子网前缀+接口ID构成,子网前缀由地址分配和管理机构定义和分配,而接口ID可以由各操作系统实现生成,生成算法后面的章节会介绍。

7、IPv6的地址类型


IPv6地址分三种类型:

  • 1)单播,对应于IPv4的普通公网和私网地址;
  • 2)组播,对应于IPv4的组播(多播)地址;
  • 3)任播,IPv6新增的地址概念类型。

IPv6没有广播地址,用组播地址实现广播的功能。实际上我们工作和生活最可能最多接触的就是单播地址,接下来本文重点会讲解单播地址的种类。组播和任播地址有兴趣的同学自行查阅相关RFC和文献。

8、IPv6单播地址


注意:大家如果在网上搜索IPv6的地址,可能都是千篇一律的把所有“出现过”的单播地址介绍出来,其实有一些单播地址类型已经在相关的RFC中被废除或者不建议使用,而本节会指出这类地址。同时,在介绍单播地址的时候,尽量与IPv4中对应的或者相类似的概念做对比,加深理解。

IPv6单播地址有以下几种。

8.1全球单播地址


IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_4.jpg
▲ 图5:IPv6全球单播地址结构

前缀2000::/3,相当于IPv4的公网地址(IPv6的诞生根本上就是为了解决IPv4公网地址耗尽的问题)。这种地址在全球的路由器间可以路由。

8.2链路本地地址


IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_5.jpg
▲ 图6:链路本地地址结构

前缀FE80::/10,顾名思义,此类地址用于同一链路上的节点间的通信,主要用于自动配置地址和邻居节点发现过程。Windows和Linux支持或开启IPv6后,默认会给网卡接口自动配置一个链路本地地址。也就是说,一个接口一定有一个链路本地地址。

如下图:
IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_6.png 
▲ 图7:Linux下查看链路本地地址

IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_7.png 
▲ 图8:Windows下查看链路本地地址

值得说的是:每个接口必须至少有一个链路本地地址;每个接口可以配置1个以上的单播地址,例如一个接口可以配置一个链路本地地址,同时也可以配置一个全球单播地址。

注意:很容易会把链路本地地址和IPv4的私网/内网地址对应起来,其实链路本地地址对应于IPv4的APIPA地址,也就是169.254开头的地址(典型场景就是windows开启自动获取地址而获取失败后自动分配一个169.254的地址)。而IPv4私网对应于IPv6的什么地址,后面会介绍。

特别地:在IPv6 socket编程中,可以使用链路本地地址编程通信,但是需要增加一些额外的参数(这是一个小坑),在后面介绍编程的章节会介绍。

8.3唯一本地地址


IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)_1.jpg
▲ 图9:唯一本地地址结构

前缀FC00::/7,相当于IPv4的私网地址(10.0.0.0、172.16.0.0、192.168.0.0),在RFC4193中新定义的一种解决私网需求的单播地址类型,用来代替废弃使用的站点本地地址。

可能看到这里,有同学会跳出来说:IPv6不是为了解决IPv4地址耗尽的问题吗,既然IPv6的地址空间那么大,可以为每一个网络节点分配公网IPv6的节点,那为什么IPv6还需要支持私网?这里需要谈谈对IPv6下私网支持的认识。

在IPv4中,利用NAT技术私网内的网络节点可以使用统一的公网出口访问互联网资源,大大节省了IPv4公网地址的消耗(IPv6推进缓慢的原因之一)。另一方面,由于默认情况下私网内节点与外界通信的发起是单向的,网络访问仅仅能从私网内发起,外部发起的请求会被统一网关或者防火墙阻隔掉,这样的网络架构很好的保护了私网内的节点安全性和私密性。可以设想一下,如果鹅厂内部每台办公电脑都配置了IPv6的公网地址上网,是多么可怕的事情,每台办公电脑都会面临被黑客入侵的威胁(肉鸡真多)。

因此,在安全性和私密性要求下,IPv6中同样需要支持私网,并且也需要支持NAT。在Linux内核3.7版本开始加入对IPv6 NAT的支持,实现的方式和IPv4下的差别不大(Linux内核代码中变量和函数的命名几乎就是ctrl+c和ctrl+v过来的-_-||)。

8.4站点本地地址


前缀FEC9::/48,以前是用来部署私网的,但RFC3879中已经不建议使用这类地址,建议使用唯一本地地址。大家知道有这么一回事就可以了。网上还有很多文章还提到这种地址,但是没有说明这种地址已经不再使用。

8.5特殊地址:回环地址


0:0:0:0:0:0:0:1或::1,等同于IPv4的127.0.0.1

8.6过渡地址:内嵌IPv4地址的IPv6地址


就是在IPv6的某一些十六进制段内嵌这IPv4的地址,例如IPv6地址中64:ff9b::10.10.10.10,此IPv6地址最后4个字节内嵌一个IPv4的地址,这类地址主要用于IPv6/IPv4的过渡技术中。

9、IPv4兼容地址


0:0:0:0:0:0:w.x.y.z或::w.x.y.z(其中w.x.y.z是点分十进制的IPv4地址)。但在RFC4291中已经不推荐使用这类地址,大家知道有这么一回事就可以了。

过渡地址:IPv4映射地址
0:0:0:0:0:FFFF:w.x.y.z或::FFFF:w.x.y.z(其中w.x.y.z是点分十进制的IPv4地址),用于IPv6地址表示IPv4地址。主要用于某些场景下IPv6节点与IPv4节点通信,Linux内核对这类地址很好地支持,在后面编程和内核分析的章节会分析使用过程。

过渡地址:特定过渡技术地址
6to4地址、ISATAP地址、Teredo地址主要用于对应的过渡技术的地址,在后面介绍过渡技术的时候会介绍。

10、IPv6接口ID生成算法


从前面的介绍中可以看出,IPv6单播地址是由前缀(64位)+接口ID(64位)组成。

接口ID的生成算法主要有以下几种:

  • 1)根据RFC4291定义,接口ID可以从EUI-64地址生成:详细算法可以查看regli同学的PPT第14页;
  • 2)为了可以具备某种程度的匿名信,接口ID可以使用一个随机分配的,windows操作系统默认就是使用这种生成算法,Linux下也是默认开启这个算法;
  • 3)使用状态化的自动配置技术分配,例如DHCPv6分配;
  • 4)手工配置。

11、IPv6地址配置


前面对IPv6的地址、前缀、接口等等做了介绍,接下来就是要介绍一个接口如何配置IPv6地址。IPv6一个比IPv4更厉害的方面,就是可以自动配置地址,甚至这个配置过程不需要DHCPv6(在IPv4中是DHCPv4)这样的地址配置协议。最典型的例子就是,只要开启了IPv6协议栈的操作系统,每个接口就能自动配置了链路本地地址,这个是和IPv4最重要的区别之一。

IPv6的地址配置有以下几种:

  • 1)只要开启了IPv6协议栈,接口自动分配链路本地地址;
  • 2)无状态自动配置地址(RFC2462),后面会有实验演示;
  • 3)有状态自动配置地址,例如DHCPv6。
  • 4)手动配置。

12、IPv6的域名解析


由于IPv6的地址扩展为128位,比IPv4的更难书写和记忆,因此IPv6下的DNS变得尤为重要。IPv6的的DNS资源记录类型为AAAA(又称作4A),用于解析指向IPv6地址的完全有效域名。

下面是一个示例:
Hostipv6.example.wechat.com IN AAAA 2001:db8:1::1

IPv6下的域名解析可以认为是IPv4的扩展,详细可以查看RFC3596.

(—— 本文未完,下篇待续 ——)

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