IPv6地址結(jié)構(gòu)、地址分類以及表示方法

IPv6地址的表示方法

IPv6地址總長度為128比特，通常分為8組，每組為4個十六進制數(shù)的形式，每組十六進制數(shù)間用冒號分隔。例如：FC00130F0000876A:130B，這是IPv6地址的首選格式。

為了書寫方便，IPv6還提供了壓縮格式，以上述IPv6地址為例，具體壓縮規(guī)則為：

每組中的前導(dǎo)“0”都可以省略，所以上述地址可寫為：FC00130F0876A:130B。

地址中包含的連續(xù)兩個或多個均為0的組，可以用雙冒號“::”來代替，所以上述地址又可以進一步簡寫為：FC00130F:876A:130B。

說明：
需要注意的是，在一個IPv6地址中只能使用一次雙冒號“::”，
否則當(dāng)計算機將壓縮后的地址恢復(fù)成128位時，無法確定每個“::”代表0的個數(shù)。

IPv6地址的結(jié)構(gòu)

一個IPv6地址可以分為如下兩部分：

網(wǎng)絡(luò)前綴：n比特，相當(dāng)于IPv4地址中的網(wǎng)絡(luò)ID

接口標識：128-n比特，相當(dāng)于IPv4地址中的主機ID

說明：
對于IPv6單播地址來說，
如果地址的前三bit不是000，則接口標識必須為64位；
如果地址的前三位是000，則沒有此限制。

接口標識可通過三種方法生成：手工配置、系統(tǒng)通過軟件自動生成或IEEE EUI-64規(guī)范生成。其中，EUI-64規(guī)范自動生成最為常用。

IEEE EUI-64規(guī)范是將接口的MAC地址轉(zhuǎn)換為IPv6接口標識的過程。如圖1所示，MAC地址的前24位（用c表示的部分）為公司標識，后24位（用m表示的部分）為擴展標識符。從高位數(shù)，第7位是0表示了MAC地址全球唯一。轉(zhuǎn)換的第一步將FFFE插入MAC地址的公司標識和擴展標識符之間，第二步將從高位數(shù)，第7位的0改為1表示此接口標識本地唯一。

圖1 EUI-64規(guī)范示意圖

例如：MAC地址：000E-0C82-C4D4；轉(zhuǎn)換后：020EFE82:C4D4。

這種由MAC地址產(chǎn)生IPv6地址接口標識的方法可以減少配置的工作量，尤其是當(dāng)采用無狀態(tài)地址自動配置時，只需要獲取一個IPv6前綴就可以與接口標識形成IPv6地址。但是使用這種方式最大的缺點是任何人都可以通過二層MAC地址推算出三層IPv6地址。

IPv6的地址分類

IPv6地址分為單播地址、任播地址（Anycast Address）、組播地址三種類型。和IPv4相比，取消了廣播地址類型，以更豐富的組播地址代替，同時增加了任播地址類型。

IPv6單播地址
IPv6單播地址標識了一個接口，由于每個接口屬于一個節(jié)點，因此每個節(jié)點的任何接口上的單播地址都可以標識這個節(jié)點。發(fā)往單播地址的報文，由此地址標識的接口接收。

IPv6定義了多種單播地址，目前常用的單播地址有：未指定地址、環(huán)回地址、全球單播地址、鏈路本地地址、唯一本地地址ULA（Unique Local Address）。

未指定地址
IPv6中的未指定地址即 0000:0/128 或者::/128。該地址可以表示某個接口或者節(jié)點還沒有IP地址，可以作為某些報文的源IP地址（例如在NS報文的重復(fù)地址檢測中會出現(xiàn)）。源IP地址是::的報文不會被路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)。

環(huán)回地址
IPv6中的環(huán)回地址即 0000:1/128 或者::1/128。環(huán)回與IPv4中的127.0.0.1作用相同，主要用于設(shè)備給自己發(fā)送報文。該地址通常用來作為一個虛接口的地址（如Loopback接口）。實際發(fā)送的數(shù)據(jù)包中不能使用環(huán)回地址作為源IP地址或者目的IP地址。

全球單播地址
全球單播地址是帶有全球單播前綴的IPv6地址，其作用類似于IPv4中的公網(wǎng)地址。這種類型的地址允許路由前綴的聚合，從而限制了全球路由表項的數(shù)量。

全球單播地址由全球路由前綴（Global routing prefix）、子網(wǎng)ID（Subnet ID）和接口標識（Interface ID）組成，其格式如圖2所示：
圖2 全球單播地址格式

Global routing prefix：全球路由前綴。由提供商（Provider）指定給一個組織機構(gòu)，通常全球路由前綴至少為48位。目前已經(jīng)分配的全球路由前綴的前3bit均為001。

Subnet ID：子網(wǎng)ID。組織機構(gòu)可以用子網(wǎng)ID來構(gòu)建本地網(wǎng)絡(luò)（Site）。子網(wǎng)ID通常最多分配到第64位。子網(wǎng)ID和IPv4中的子網(wǎng)號作用相似。

Interface ID：接口標識。用來標識一個設(shè)備（Host）。

鏈路本地地址

鏈路本地地址是IPv6中的應(yīng)用范圍受限制的地址類型，只能在連接到同一本地鏈路的節(jié)點之間使用。它使用了特定的本地鏈路前綴FE80::/10（最高10位值為1111111010），同時將接口標識添加在后面作為地址的低64比特。

當(dāng)一個節(jié)點啟動IPv6協(xié)議棧時，啟動時節(jié)點的每個接口會自動配置一個鏈路本地地址（其固定的前綴+EUI-64規(guī)則形成的接口標識）。這種機制使得兩個連接到同一鏈路的IPv6節(jié)點不需要做任何配置就可以通信。所以鏈路本地地址廣泛應(yīng)用于鄰居發(fā)現(xiàn)，無狀態(tài)地址配置等應(yīng)用。

以鏈路本地地址為源地址或目的地址的IPv6報文不會被路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到其他鏈路。鏈路本地地址的格式如圖3所示：

圖3 鏈路本地地址格式

唯一本地地址

唯一本地地址是另一種應(yīng)用范圍受限的地址，它僅能在一個站點內(nèi)使用。由于本地站點地址的廢除（RFC3879），唯一本地地址被用來代替本地站點地址。

唯一本地地址的作用類似于IPv4中的私網(wǎng)地址，任何沒有申請到提供商分配的全球單播地址的組織機構(gòu)都可以使用唯一本地地址。唯一本地地址只能在本地網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部被路由轉(zhuǎn)發(fā)而不會在全球網(wǎng)絡(luò)中被路由轉(zhuǎn)發(fā)。唯一本地地址格式如圖4所示：

·圖4 唯一本地地址格式

Prefix：前綴；固定為FC00::/7。

L：L標志位；值為1代表該地址為在本地網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)使用的地址；值為0被保留，用于以后擴展。

Global ID：全球唯一前綴；通過偽隨機方式產(chǎn)生。

Subnet ID：子網(wǎng)ID；劃分子網(wǎng)使用。

Interface ID：接口標識。

唯一本地地址具有如下特點：

具有全球唯一的前綴（雖然隨機方式產(chǎn)生，但是沖突概率很低）。

可以進行網(wǎng)絡(luò)之間的私有連接，而不必擔(dān)心地址沖突等問題。

具有知名前綴（FC00::/7），方便邊緣設(shè)備進行路由過濾。

如果出現(xiàn)路由泄漏，該地址不會和其他地址沖突，不會造成Internet路由沖突。

應(yīng)用中，上層應(yīng)用程序?qū)⑦@些地址看作全球單播地址對待。

獨立于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商ISP（Internet Service Provider）。

IPv6組播地址
IPv6的組播與IPv4相同，用來標識一組接口，一般這些接口屬于不同的節(jié)點。一個節(jié)點可能屬于0到多個組播組。發(fā)往組播地址的報文被組播地址標識的所有接口接收。例如組播地址FF02::1表示鏈路本地范圍的所有節(jié)點，組播地址FF02::2表示鏈路本地范圍的所有路由器。

一個IPv6組播地址由前綴，標志（Flag）字段、范圍（Scope）字段以及組播組ID（Global ID）4個部分組成：

前綴：IPv6組播地址的前綴是FF00::/8。

標志字段（Flag）：長度4bit，目前只使用了最后一個比特（前三位必須置0），當(dāng)該位值為0時，表示當(dāng)前的組播地址是由IANA所分配的一個永久分配地址；當(dāng)該值為1時，表示當(dāng)前的組播地址是一個臨時組播地址（非永久分配地址）。

范圍字段（Scope）：長度4bit，用來限制組播數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的范圍，該字段取值和含義的對應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

組播組ID（Group ID）：長度112bit，用以標識組播組。目前，RFC2373并沒有將所有的112位都定義成組標識，而是建議僅使用該112位的最低32位作為組播組ID，將剩余的80位都置0。這樣每個組播組ID都映射到一個唯一的以太網(wǎng)組播MAC地址（RFC2464）。

IPv6組播地址格式如圖5所示：
圖5 IPv6組播地址格式

被請求節(jié)點組播地址

被請求節(jié)點組播地址通過節(jié)點的單播或任播地址生成。當(dāng)一個節(jié)點具有了單播或任播地址，就會對應(yīng)生成一個被請求節(jié)點組播地址，并且加入這個組播組。一個單播地址或任播地址對應(yīng)一個被請求節(jié)點組播地址。該地址主要用于鄰居發(fā)現(xiàn)機制和地址重復(fù)檢測功能。

IPv6中沒有廣播地址，也不使用ARP。但是仍然需要從IP地址解析到MAC地址的功能。在IPv6中，這個功能通過鄰居請求NS（Neighbor Solicitation）報文完成。當(dāng)一個節(jié)點需要解析某個IPv6地址對應(yīng)的MAC地址時，會發(fā)送NS報文，該報文的目的IP就是需要解析的IPv6地址對應(yīng)的被請求節(jié)點組播地址；只有具有該組播地址的節(jié)點會檢查處理。

被請求節(jié)點組播地址由前綴FF02:FF00:0/104和單播地址的最后24位組成。

IPv6任播地址

任播地址標識一組網(wǎng)絡(luò)接口（通常屬于不同的節(jié)點）。目標地址是任播地址的數(shù)據(jù)包將發(fā)送給其中路由意義上最近的一個網(wǎng)絡(luò)接口。

任播地址設(shè)計用來在給多個主機或者節(jié)點提供相同服務(wù)時提供冗余功能和負載分擔(dān)功能。目前，任播地址的使用通過共享單播地址方式來完成。將一個單播地址分配給多個節(jié)點或者主機，這樣在網(wǎng)絡(luò)中如果存在多條該地址路由，當(dāng)發(fā)送者發(fā)送以任播地址為目的IP的數(shù)據(jù)報文時，發(fā)送者無法控制哪臺設(shè)備能夠收到，這取決于整個網(wǎng)絡(luò)中路由協(xié)議計算的結(jié)果。這種方式可以適用于一些無狀態(tài)的應(yīng)用，例如DNS等。

IPv6中沒有為任播規(guī)定單獨的地址空間，任播地址和單播地址使用相同的地址空間。目前IPv6中任播主要應(yīng)用于移動IPv6。

說明：
IPv6任播地址僅可以被分配給路由設(shè)備，不能應(yīng)用于主機。任播地址不能作為IPv6報文的源地址。

子網(wǎng)路由器任播地址

子網(wǎng)路由器任播地址是已經(jīng)定義好的一種任播地址（RFC3513）。發(fā)送到子網(wǎng)路由器任播地址的報文會被發(fā)送到該地址標識的子網(wǎng)中路由意義上最近的一個設(shè)備。所有設(shè)備都必須支持子網(wǎng)任播地址。子網(wǎng)路由器任播地址用于節(jié)點需要和遠端子網(wǎng)上所有設(shè)備中的一個（不關(guān)心具體是哪一個）通信時使用。例如，一個移動節(jié)點需要和它的“家鄉(xiāng)”子網(wǎng)上的所有移動代理中的一個進行通信。

子網(wǎng)路由器任播地址由n bit子網(wǎng)前綴標識子網(wǎng)，其余用0填充。格式如圖6所示：

圖6 子網(wǎng)路由器任播地址格式

審核編輯：湯梓紅