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第四章下一代互联网协议 IPv6

第四章下一代互联网协议 IPv6. 下一代互联网协议 IPv6. 为什么要引入 IP ？ IPv4 的可扩展性问题 IPv6 概述 邻机发现机制 IPv6 地址自动配置 IPv6 中的一些其它机制 IPv4/IPv6 过渡 IPv6 相关应用程序接口 总结. 主要内容. 下一代互联网协议 IPv6. 为什么要引入 IP ？ IPv4 的可扩展性问题 IPv6 概述 邻机发现机制 IPv6 地址自动配置 IPv6 中的一些其它机制 IPv4/IPv6 过渡 IPv6 相关应用程序接口 总结. 主要内容. 1. 为什么引入 IP.

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第四章下一代互联网协议 IPv6

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  1. 第四章下一代互联网协议IPv6

  2. 下一代互联网协议IPv6 • 为什么要引入IP？ • IPv4的可扩展性问题 • IPv6概述 • 邻机发现机制 • IPv6地址自动配置 • IPv6中的一些其它机制 • IPv4/IPv6过渡 • IPv6相关应用程序接口 • 总结 主要内容

  3. 下一代互联网协议IPv6 • 为什么要引入IP？ • IPv4的可扩展性问题 • IPv6概述 • 邻机发现机制 • IPv6地址自动配置 • IPv6中的一些其它机制 • IPv4/IPv6过渡 • IPv6相关应用程序接口 • 总结 主要内容

  4. 1. 为什么引入IP • 异构性（Heterogeneity） • 不同网络的主机能够进行通信，包括以太网、802.11无线局域网、令牌环网、点对点链路等 • 编址方案、媒介访问协议、服务模型等不同 • 可扩展性（Scale） • 网络规模不断扩大 • 几百万甚至几十亿个节点互连 实现网络互连 寻址（Addressing） 路由选择（Routing） 移动管理（Mobility） 服务质量管理（QoS） 安全

  5. 1. 为什么引入IP • 以IP为核心，根据IP协议信息转发分组 • IP提供的是尽力传送服务（best-effort） • 无连接，分组携带足够的信息能使网络将分组传送到目的地 • 不保证分组可靠到达目的地，可能出现分组的丢失，乱序 服务模型 设计原则：使网络尽可能的简单 端系统 端系统 路由器

  6. 1. 为什么引入IP • 寻址模型 Internet寻址 应用进程 （与端口号关联） 端口号（16bits） IP地址（32或者128bits） 链路地址（MAC地址为48bits） 路由器 发送数据的地址或者端口包括发送数据方的源地址或者源端口，接收数据方的目的地址或者目的端口 端口：在主机上标识应用进程，由程序或者系统指定 IP地址：标识Internet上的某台主机，由程序或者系统指定 链路地址（MAC地址）：标识链路上的某个接口设备，目的MAC地址由ARP（IPv4）或者邻机发现机制（IPv6）获得

  7. FS IPH Seg1 FE FS IPH Seg2 FE FS IPH Seg3 FE 1. 为什么引入IP • 数据传输流程 Internet寻址 调用TCP模块，将上层内容封装在TCP协议中 调用FTP应用层模块，将内容封装在FTP协议中 Seg1 传输层：端口寻址，协议数据单元称为TCP数据段 Seg2 运行FTP应用程序 Seg3 应用层（与端口绑定，协议数据单元称为消息） 调用IP模块，对每个数据段加上IP分组头 网络层：IP地址寻址，协议数据单元称为IP分组 对每个IP分组加上以太帧头或帧尾 IPH Seg1 IPH Seg2 将数据帧的二进制码转换成光电信号 IPH Seg3 数据链路层：MAC地址寻址，协议数据单元称为数据帧 物理层

  8. 下一代互联网协议IPv6 • 为什么要引入IP？ • IPv4的可扩展性问题 • IPv6概述 • 邻机发现机制 • IPv6地址自动配置 • IPv6中的一些其它机制 • IPv4/IPv6过渡 • IPv6相关应用程序接口 • 总结 主要内容

  9. 2. IPv4的可扩展性问题 • IPv4地址长度为32比特，理论上IPv4地址的最大数量为232，大约为43亿 问题描述 32 bits 网络号（NET） 主机号（HOST） 8 bits 10101010 01010101 00110011 11001100 二进制表示 十进制表示 (W.X.Y.Z) 170 85 51 204

  10. 0 NET HOST HOST HOST 10 NET NET HOST HOST 110 NET NET NET HOST 1110 播 地 址 组 11110 保 留 地 址 2. IPv4的可扩展性问题 • IPv4单播地址采用分类的方式进行分配 • 地址分配粒度太大！ • IP地址中网络号或主机号为全0或全1的一般用做特殊处理，不用来标识网络或主机 问题描述 Class A (0–127) 单播地址 Class B (128 – 191) Class C (192 – 223) Class D （224-239） Class E （240-247） 随着越来越多的设备接入Internet，IPv4地址资源出现衰竭迹象，保守估计到2041年IPv4地址将耗尽 随着越来越多的网络接入到Internet，路由器的路由表急剧膨胀（核心路由器路由表由2000年的76,000条路由增加到2004年中期的160,000条路由）[http://bgp.potaroo.net]

  11. 2. IPv4的可扩展性问题 • 采用层次结构 • 划分子网 • 无类别域间寻路 • 网络地址转换 解决方案—概述 基本思想： 根据需要分配地址块大小，为提高IP地址的利用率，对IP地址进行汇聚，以减少路由协议中路由选择消息携带的和路由器的路由表中储存的网络号的数量 最终的解决方案是采用IPv6

  12. 2. IPv4的可扩展性问题 • 子网subnet：将大的A/B/C类网络划分为多个小的子网，对外仍然表现为一个单独的网络，只有一个网络号 • IP地址=网络号+子网ID+主机号 解决方案—划分子网 子网号 子网号长度：子网掩码中1的个数 例如：202.38.75.65是一个C类地址，如果子网掩码为255.255.255.0，则子网号为202.38.75.0，如果子网掩码为255.255.255.192(11000000)，则子网号为202.38.75.64（65=01000001）

  13. 2. IPv4的可扩展性问题 • 无类别域间寻路CIDR：Classless Inter-Domain Routing • RFC1518，RFC1519 • 采用可变长度的网络前缀(network prefix)来取代地址分类中网络号长度固定的做法 • 具有相同前缀的IP地址组成CIDR Block，表示为A.B.C.D/N，其中N为前缀长度 • 例如202.38.208.0/20 解决方案—无类别域间寻路

  14. 2. IPv4的可扩展性问题 • CIDR Block分配 IANA（Internet Assigned Numbers Authority）--〉RIRs（Regional Internet Registries）--〉 ISPs（Internet Service Providers）--〉 Subscribers 解决方案—无类别域间寻路 具有相同前缀的IP地址组成CIDR Block， 前缀长，block越大

  15. 2. IPv4的可扩展性问题 • 前缀汇聚： Prefix Aggregation • 具有相同前缀的多个连续的CIDR Block可以汇聚成一个更短前缀路由 解决方案—无类别域间寻路

  16. 16个连续的网络 16个连续的网络 16个连续的/24的CIDR Block可以汇聚成一条/20的路由 208.130.16.0/24~208.130.31.0/24--〉(0001 0000~0001 1111)208.130.16.0/20 16条路由 R0 R0 前缀汇聚 R1 R1 .... .... 208.130.16.0 208.130.31.0 208.130.16.0 208.130.31.0

  17. 2. IPv4的可扩展性问题 • 路由表结构 • <网络前缀/前缀长度、下一跳> • 在CIDR中，如果路由器上的路由表中有多条表项满足要求，则采用前缀最长匹配规则 解决方案—无类别域间寻路 对于目的地址为128.96.195.70的分组，匹配的路由表表项包括两项（128.96.0.0/16和128.96.192.0/18），但是使用最长匹配规则选择下一跳为R1

  18. 私有IP地址 全局IP地址 内部网络 Internet NAT设备 2. IPv4的可扩展性问题 • 根据作用范围的不同，分两种IP地址 • 全局IP地址：用于Internet上的分组转发，要求在Internet范围内唯一， • 私有IP地址：用于指定网络内的分组转发，只要求在指定网内部唯一 解决方案—网络地址转换 网络地址转换（NAT: Network Address Translation)： 实现网络内的多台主机共享一个或者少量全局的IP地址

  19. 2. IPv4的可扩展性问题 • 10.0.0.0 - 10.255.255.255 A single Class A network • 172.16 .0.0- 172.31 .255.255 16 contiguous Class B networks • 192.168.0.0 - 192.168.255 .255 256 contiguous Class C networks 解决方案—网络地址转换

  20. 源IP地址：202.38.75.11 源IP地址：10.0.0.1 目的IP地址：10.0.0.1 目的IP地址：202.38.75.11 2. IPv4的可扩展性问题 解决方案—网络地址转换 202.38.75.11 到Internet 到内部网络 NAT 转换表(自动生成)

  21. 问题：基本的地址转换只使用IP地址信息，在只有一个全局IP地址的情况下，对于从Internet到内部网络上的分组，NAT设备无法知道分组所对应的内部主机，或者同一台内部主机上的应用问题：基本的地址转换只使用IP地址信息，在只有一个全局IP地址的情况下，对于从Internet到内部网络上的分组，NAT设备无法知道分组所对应的内部主机，或者同一台内部主机上的应用 Request received and accepted. Internet a Web server 10.0.0.1 10.0.0.1，10.0.0.2，10.0.0.3 mapped to 202.38.75.11 NAT 202.38.75.11 b 10.0.0.254 10.0.0.2 Destination: 202.38.75.11 ? 解决方法：使用TCP或者UDP端口号来区分，也就是说NAT的依据不再仅仅是IP地址，还包括端口号 c 10.0.0.3

  22. 2. IPv4的可扩展性问题 • 网络地址和端口转换NAPT：Network Address and Port Translation • 最常用的一种NAT方式 • 使用IP地址和TCP/UDP端口号 • 端口号标识了同一台主机上不同的应用，例如FTP服务器进程一般运行在21号端口，web服务进程一般运行在80号端口，TCP/UDP根据端口号将数据投递给相应的应用进程 • NAPT操作不仅仅要修改分组的IP头标，还要修改TCP/UDP头标中的端口号 • 在NAT设备上，虽然内部网络所有的主机共享同一个全局IP地址，但是它们所使用的端口号不同 解决方案—网络地址转换

  23. Web server a Internet 10.0.0.3, port 1025 mapped to 202.38.75.11, port 2000 10.0.0.1 NAT b 202.38.75.11 10.0.0.254 10.0.0.2 Connection request from ‘c’ forwarded to <web server> source 202.38.75.11, port 2000. c 10.0.0.3 Connection request to port 80 from ‘c‘ to <web server> source 10.0.0.3, port 1025.

  24. Web server a Internet 响应发往 202.38.75.11:2000 10.0.0.1 NAT b 10.0.0.254 10.0.0.2 将202.38.75.11: 2000转换为 10.0.0.3:1025 c 10.0.0.3

  25. 下一代互联网协议IPv6 • 为什么要引入IP？ • IPv4的可扩展性问题 • IPv6概述 • 邻机发现机制 • IPv6地址自动配置 • IPv6中的一些其它机制 • IPv4/IPv6过渡 • IPv6相关应用程序接口 • 总结 主要内容

  26. 3. IPv6概述 为什么引入IPv6? 实时应用支持 自动配置 地址空间不足 IPv6 地址长度128比特 采用层次结构 IPv4可扩展性问题 路由表急剧膨胀 移动性 安全性 IPv4/IPv6过渡机制

  27. 3. IPv6概述 • IETF ：http://www.ietf.org • IP Version 6 Working Group • 制订IPv6规范和标准 • IPv6 Operations • 为运营IPv4/IPv6共存的Internet和在已有的IPv4网络或者新的网络安装中部署IPv6提供指导 • 其它IPv6相关工作组 • 6lowpan, mip6, mipshop, monami6, multi6, shim6… • 3GPP ：http://www.3gpp.org • IP多媒体子系统 (IMS)使用IPv6 • ITU-T ：http://www.itu.int/ITU-T/index.html • 在电信网络中采用IPv6技术 IPv6标准化进程

  28. 3. IPv6概述 • 6BONE：http://www.6bone.net • 1996年IETF建立的IPv6测试床 • 2004年1月1日：不再分配3ffe前缀 • 2006年6月6日：结束使命 • The IPv6 Forum：http://www.ipv6forum.com • 倡导IPv6，提升IPv6的市场和用户意识 • IPv6 Ready Logo Program (Phase 2) • WIDE：http://www.wide.ad.jp • KAME，USAGE，TAHI：实现和验证IPv6 • Nautilus6：移动通信中的IPv6应用 • ...... • IPv6 Cluster：http://www.ist-ipv6.org • 欧洲IPv6研究和开发项目 • IPv6 Cluster Member：Euro6IX ，6NET… • Moonv6 • 多家设备商参与部署的世界上最大的IPv6网络 国外IPv6研究和应用

  29. 3. IPv6概述 国内IPv6部署

  30. 3. IPv6概述 1）扩展地址空间，128位地址 2）改善了选项功能，简化头标 3）修订了参数，增加流标记域 V6: 6 fields + 2 addr V4: 10 fields + 2 addr + options Deleted: Header length type of service identification, flags,fragment Header Checksum Added Traffic class Flow label Renamed: length -> Payload length Protocol -> Next header time to live -> Hop Limit Redefined: Option mechanism 基本头标格式

  31. 3. IPv6概述 扩展头标

  32. 3. IPv6概述 • IPv6基本头标 • 中继点选项头标 • 信宿选项头标 • 寻路头标 • 分片头标 • 认证头标 • 封装化安全净荷 • 信宿选项头标 扩展头标处理顺序 中间路由器处理 目的节点处理

  33. 3. IPv6概述 • 格式 寻路头标 HL SL 下一头标 头标长度 类型 剩余中继点数 保留 地址[0] …….. 地址[n]

  34. 3. IPv6概述 • 举例 寻路头标

  35. 3. IPv6概述 • 数据链路层独立于上面的网络层，但是数据链层帧头标中的协议ID域需要指明载荷的网络层协议类型 IPv6和数据链路层 IPv4 IPv6 数据链路层

  36. 3. IPv6概述 • 128位地址可产生2128个地址 • 理论上说，地球上每平方米有665,570,793,348,866,943,898,599个IPv6地址 • 表示方法采用十六进制冒号分割法 • 如1025:1ab6:0:0:0:87:a76f:1234 • 以上地址还可表示为1025:1ab6::87:a76f:1234 • 混合表示 • ::FFFF:129.144.52.38 • 地址前缀表示：IPv6地址/前缀长度 • 2001:da8:d800::3/64 • URL中的IPv6地址 • http://[2001:0:0:A1::1E2A]:7878/webpage.html IPv6地址

  37. 3. IPv6概述 • IPv6地址空间分配:RFC4291 • 单播地址(Unicast) • 标识单个节点,目的地为单播地址的分组被转发到单个节点 • 组播地址(Multicast) • 标识一组节点,目的地为组播地址的分组被转发到组中所有节点 • 任播地址(Anycast) • 标识一组节点,目的地为任播地址的分组被转发到组中距离最近的节点(依据路由协议度量的最近距离) IPv6地址类型 • IPv4地址空间分配 • 单播地址、组播地址、广播地址 IPv6中没有广播地址,其功能被组播地址所代替

  38. Link-Local Global Site-Local 3. IPv6概述 • 全局地址 EX: 2001:0:0:A1::1E2A/64 Network Prefix: 2001:0:0:A1 • 站点局部(site-local)地址(FEC0::/48)(弃用) • 链路局部(Link-local)地址(FE80::/64) 单播地址 Network Prefix

  39. 3. IPv6概述 • 格式 组播地址

  40. 3. IPv6概述 • 根据单播地址前缀生成全局唯一的组播地址 • 单播地址前缀对应着一个组织的网络，因此这种方式可以为该组织生成全局的组播地址 组播地址 Unicast Prefix: 2001:100:abc:1::/64 Unicast Prefix Scope Global: E (Global-local scope) Choose Group ID: 11FF:11EE Resulting Multicast Address: FF3E:0040:2001:100:abc:1:11FF:11EE

  41. 3. IPv6概述 • 已定义的常用的组播地址 • 全节点地址： FF01::1(node-local) FF02::1(link-local) • 全路由器地址: FF01::2(node-local) FF02::2(link-local) FF05::2(site-local) • 被请求节点地址（Solicited-node address） • FF02:0:0:0:0:1:FFXX:XXXX (X为单播或者任播地址的低24比特部分) 例如: 4037::01:800:200E:8C6C FF02::1:FF0E:8C6C 组播地址

  42. 3. IPv6概述 • 任播地址（anycast address)：从单播地址空间中分配 • 子网路由器的任播地址 任播地址

  43. 3. IPv6概述 • 未指明地址：全0(::) • 在以下两种情况用作发送IPv6分组的网络节点的地址 • 网络节点还没有配置地址 • 网络接口配置的地址在本地链路上还不能确定是唯一的 • 回环地址（::1） • 指代网络节点本身 特殊用途IPv6地址

  44. 3. IPv6概述 • IANA: Internet Assigned Numbers Authority • 负责整个Internet的IP地址分配和协调 • RIR：地区Internet注册机构 • AfriNIC：Africa Region • APNIC：Asia/Pacific Region • ARIN：North America Region • LACNIC：Latin America and some Caribbean Islands • RIPE NCC：Europe, the Middle East, and Central Asia 全局单播地址分配

  45. 3. IPv6概述 • APNIC分配的地址块 全局单播地址分配 [Last updated 2006-12-22] For APNIC Global Unicast Prefix Assignment Date --------------------- ---------- ------ 2001:0200::/23 APNIC 01 Jul 99 2001:0C00::/23 APNIC 01 May 02 2001:0E00::/23 APNIC 01 Jan 03 2001:4400::/23 APNIC 11 Jun 04 2001:8000::/19 APNIC 30 Nov 04 2001:A000::/20 APNIC 30 Nov 04 2001:B000::/20 APNIC 08 Mar 06

  46. 3. IPv6概述 • IPv6地址前缀分配过程 全局单播地址分配 RIR：Regional Internet Registrie NIR：National Internet Registries ISP：Internet service provider LIR：Local Internet Registrie

  47. 3. IPv6概述 全局单播地址分配

  48. 3. IPv6概述 • 如果网络节点为主机，需要配置或者处理 • Link-local地址 • 单播地址 • 回环地址 • 全节点组播地址 • 单播地址所对应的被请求节点地址 • 节点所属组的组播地址 • 如果网络节点为路由器，除配置或者处理以上地址外，还需要配置或者处理 • 作为路由器的所有网络接口的子网路由器任播地址 • 配置的其它的任播地址 • 全路由器组播地址 需配置或者处理的地址

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