高级计算机网络之

IPv4 地址空间耗尽一直是迁移到 IPv6 的动因。理论上，IPv4 最多有 43 亿个地址。私有地址与网络地址转换 (NAT) 对于放缓 IPv4 地址空间的耗尽起了不可或缺的作用。然而，NAT对于许多应用程序来说是有问题的，它会造成延迟，并且有严重阻碍对等体对对等体通信的限制。

IPv6 旨在接替 IPv4：

IETF 已经创建了各种协议和工具来协助网络管理员将网络迁移到 IPv6。迁移技术可分为三类：

注: 隧道和转换用于过渡到原生IPv6，仅应在需要时使用。目标是从源到目的地进行本地 IPv6 通信。

IPv6 地址长度为 128 位，写作十六进制值字符串。如图所示，每 4 位以一个十六进制数字表示，共 32 个十六进制值。

省略前导零的四个方法示例：

使用双冒号 (::) 替换任何由一个或多个全由 0 组成的16 位十六进制数组成的连续字符串，这通常称为压缩格式。

注：双冒号 (::) 仅可在每个地址中使用一次。如果一个地址有多个连续的全为0的十六进制数字符串，最佳实践是在最长的字符串上使用双冒号(::)。如果字符串相等，则第一个字符串应使用双冒号 (::)。

IPv6 地址有三大类：

与 IPv4 不同，IPv6 没有广播地址。但是，IPv6 具有 IPv6 全节点组播地址，这在本质上与广播地址的效果相同。

IPv6 前缀长度

在 IPv4 中，/24 称为前缀。在 IPv6 中，它被称为前缀长度。IPv6 前缀长度以斜线记法表示，用于表示 IPv6 地址的网络部分。前缀长度范围为 0 至 128。推荐的局域网和大多数其他网络类型 IPv6 前缀长度为 /64。

强烈建议对大多数网络使用 64 位接口 ID。这是因为无状态地址自动配置(SLAAC)使用64位作为接口ID。它还使子网划分更易于创建和管理。

IPv6 单播地址

与IPv4设备只有一个地址不同，IPv6地址通常有两个单播地址:

唯一本地地址（范围 fc00:: /7 到 fdff:: /7）尚未普遍实现。然而，唯一本地地址最终可能被用于地址不应该从外部访问的设备，例如内部服务器和打印机。

IPv6 唯一本地地址与 IPv4 的 RFC 1918 私有地址具有相似之处，但是也有着重大差异，唯一本地地址：

IPv6 全局单播地址 (GUA) 具有全局唯一性，相当于公有 IPv4 地址。互联网名称与数字地址分配机构 (ICANN)，即 IANA 的运营商，将 IPv6 地址块分配给五家 RIR。目前分配的仅是前三位为 001 或 2000::/3 的GUA。

该图显示了第一个十六进制数的值范围，其中当前可用的GUAs的第一个十六进制数字以2或3开头。这只是可用 IPv6 地址空间的 1/8。

注意: 2001:db8::/32已经留作备档之用，包括示例用途。

IPv6 GUA 结构

在 思科 IOS 中，大多数 IPv6 的配置和验证命令与 IPv4 的相似。在多数情况下，唯一区别是命令中使用ipv6 取代ip 。

静态 GUA 配置

例如，在接口上配置 IPv6 GUA 的命令是 ipv6 address ipv6 地址/前缀长度。注意 ipv6-address 和 prefix-length之间没有空格。

示例拓扑：

使用路由器的LLA作为默认网关地址被认为是最佳实践，也可以配置同一网络中 Router 千兆以太网接口的GUA。任一配置都可以。

与使用 IPv4 一样，在客户端配置静态地址并不能扩展至更大的环境。因此，多数 IPv6 网络的管理员会启用 IPv6 地址的动态分配。设备可以通过两种方法自动获取 IPv6 GUA：

注意: 使用 DHCPv6 或 SLAAC 时，路由器的LLA将自动指定为默认网关地址。

链路本地单播地址的静态配置(不确定)

手动配置LLA可以让您创建的地址便于识别和记忆。LLA 可以使用 ipv6 address ipv6-链路本地地址 link-local 命令手动配置。当地址以 fe80 到 febf 范围的十六进制数开头时，link-local参数必须符合该地址。下图显示了一个示例拓扑，每个接口上都有LLA：

静态配置的LLA用于使它们更易于识别为属于路由器R1。

对于 GUA，设备通过 Internet 控制消息协议版本 6 (ICMPv6) 消息动态获取地址。IPv6 路由器每 200 秒定期将 ICMPv6 RA 消息发送到网络上所有支持 IPv6 的设备。在响应发送 ICMPv6 路由器请求 (RS) 消息的主机时，也会发送 RA 消息，该消息是对RA消息的请求。这两条消息都显示在图中。

RA消息位于IPv6路由器以太网接口上。必须为路由器启用 IPv6 路由，这在默认情况下是不启用的。若要将路由器启用为 IPv6 路由器，必须使用 ipv6 unicast-routing 全局配置命令。

ICMPv6 RA 消息包括以下：

RA 消息有三种方法：

SLAAC 允许设备在没有DHCPv6服务的情况下创建自己的GUA。使用 SLAAC，设备根据本地路由器的 ICMPv6 路由器通告 (RA) 消息中的信息创建其自己的 IPv6 GUA及其他必要信息。

SLAAC 是无状态的，也就是说没有中央服务器（例如有状态DHCPv6 服务器）来分配GUA和维持设备及其地址的清单。借助 SLAAC，客户端设备使用 RA 消息中的信息创建其自己的GUA。如图中所示，地址的两部分生成如下：

路由器的接口可配置为使用 SLAAC 和无状态 DHCPv6发送RA。使用此方法，RA 消息建议设备使用以下内容：

注意: 使用无状态 DHCPv6 服务器分配 DNS 服务器地址和域名。它不分配 GUA。

路由器接口可以配置为仅使用有状态的DHCPv6发送RA。

有状态 DHCPv6 与 IPv4 的 DHCP 相似。设备可以从有状态 DHCPv6 服务器自动接收编址信息，包括GUA、前缀长度和 DNS 服务器地址。

如图所示，使用此方法，RA 消息建议设备使用以下内容：

使用有状态 DHCPv6 服务器分配并维持哪台设备接收哪个 IPv6 地址的清单。IPv4 的 DHCP 是有状态的。

注意: 默认网关地址仅可从 RA 消息中动态获取。无状态或有状态 DHCPv6 服务器均不提供默认网关地址。

当 RA 消息为 SLAAC 或 SLAAC 和无状态 DHCPv6 时，客户端必须生成自己的接口 ID，可使用 EUI-64 流程或随机生成的 64 位数字创建。

示例拓扑

show ipv6 interface brief 命令会显示以太网接口的 MAC 地址。EUI-64 使用此 MAC 地址生成LLA的接口 ID。此外，show ipv6 interface brief 命令用于显示各个接口的缩略输出。与接口位于同一行的 [up/up] 输出指示第 1 层/第 2 层接口状态。这与等效的 IPv4 命令的状态和协议列相同。

注意，每个接口有两个 IPv6 地址。每个接口的第二个地址是已配置的 GUA。第一个地址以 fe80 开头，是接口的链路本地单播地址。回想一下，分配 GUA 后，LLA 会自动添加到接口。

show ipv6 route 命令可用于检验 IPv6 网络和特定 IPv6 接口地址已添加到 IPv6 路由表中。该 show ipv6 route 命令将仅显示 IPv6 网络，而不显示 IPv4 网络。

在路由表中，路由旁边的 C 表示这是一个直连网络。当路由器接口配置了 GUA 并处于 “up/up” 状态时，IPv6 前缀和前缀长度会作为直连路由添加至 IPv6 路由表。

注意:L 表示本地路由，即为接口分配的特定 IPv6 地址。这不是一个 LLA。由于 LLA 不是可路由地址，因此它们不包括在路由表中。

IPv6 的 ping 命令和 IPv4 中这条命令的用法相同，只不过使用的是 IPv6 地址。如示例中所示，命令的作用是验证 R1 和 PC1 之间的第 3 层连通性。从路由器对 LLA 实施 ping 命令时，思科 IOS 会提示用户确认出接口。由于目的 LLA 可以在一个或多个链路或网络上使用，路由器需要知道要将 ping 发送到哪个接口。

IPv6 组播地址的前缀为ff00::/8，仅可用作目的地址，不能用作源地址。

IPv6 组播地址分为两种类型：

已分配的知名IPv6 组播地址。分配的组播地址用在特定的协议环境，例如 DHCPv6。

两种常见的 IPv6 分配组播组：

请求节点组播地址类似于全节点组播地址。请求节点组播地址的优势在于它被映射到特殊的以太网组播地址。这使得以太网网卡可以通过检查目的 MAC 地址过滤该帧，而不是将它发送给 IPv6 流程来判断该设备是否是 IPv6 数据包的既定目标。

假设一个组织分配了 2001:db8:acad::/48 全局路由前缀，并采用 16 位子网 ID。这将允许组织创建65,536个 /64 子网，如图所示。注意，所有子网的全局路由前缀是相同的。只为每个子网递增子网 ID 的十六位字节数（以十六进制形式）。

IPv4 的问题

理论上，IPv4 最多有 43 亿个地址。私有地址和NAT一起帮助减缓了IPv4地址空间的消耗。考虑到互联网用户的不断增加、有限的 IPv4 地址空间、NAT 问题和物联网等问题，是时候开始向 IPv6 过渡了。在不久的将来，IPv4和IPv6都将共存，并且过渡将需要几年的时间。IETF 已经创建了各种协议和工具来协助网络管理员将网络迁移到 IPv6。迁移技术可以分为三类：双堆栈、隧道和转换。

IPv6 地址表示方法

IPv6 地址长度为 128 位，写作十六进制值字符串。每 4 位以一个十六进制数字表示；共 32 个十六进制值。书写 IPv6 地址的首选格式为 x: x: x: x: x: x: x: x，每个“x”均包括四个十六进制值。例如：2001:0db8:0000:1111:0000:0000:0000:0200。有两条规则可帮助减少表示一个 IPv6 地址所需数字的数目。第一条有助于缩短 IPv6 地址记法的规则是省略十六进制数中的所有前导 0（零）。例如：2001:db8:0:1111:0:0:0:200。第二条有助于缩短 IPv6 地址记法的规则是使用双冒号 (::) 替换任何由一个或多个全由 0 组成的16 位十六进制数组成的连续字符串。例如：2001:db8:0:1111::200。

IPv6 地址类型

IPv6 地址分为三种类型：单播、组播和任播。IPv6 不使用点分十进制子网掩码记法。与IPv4一样，前缀长度以斜线记法表示，用于表示 IPv6 地址的网络部分。IPv6 单播地址用于唯一标识支持 IPv6 的设备上的接口。IPv6地址通常有两个单播地址:GUA和LLA。IPv6 唯一本地地址具有以下用途：它们用于站点内或数量有限的站点之间的本地编址，它们可用于永远不需要访问其他网络的设备，并且它们不会全局路由或转换为全局 IPv6 地址。IPv6 全局单播地址 (GUA) 具有全局唯一性，可在 IPv6互联网上路由。这些地址相当于公有 IPv4 地址。GUA 有三个部分：全局路由前缀、子网 ID 和接口 ID。IPv6 链路本地地址(LLA)允许设备与同一链路上支持 IPv6 的其他设备通信，并且只能在该链路（子网）上通信。设备可以静态或动态地获取LLA。

GUA 和 LLA 静态配置

在接口上配置 IPv4 地址的思科 IOS 命令是ip address IP 地址 子网掩码。相比之下，在接口上配置 IPv6 GUA 的命令是 ipv6 address ipv6 地址/前缀长度 。与使用 IPv4 一样，在客户端配置静态地址并不能扩展至更大的环境。因此，多数 IPv6 网络的管理员会启用 IPv6 地址的动态分配。手动配置LLA可以让您创建的地址便于识别和记忆。一般来说，只需要在路由器上创建可识别的LLA。LCA 可以使用 ipv6 address ipv6-链路本地地址 link-local 命令手动配置。

IPv6 GUA的动态编址

设备通过ICMPv6消息来动态地获取GUA。IPv6 路由器每 200 秒定期将 ICMPv6 RA 消息发送到网络上所有支持 IPv6 的设备。在响应发送 ICMPv6 路由器请求 (RS) 消息的主机时，也会发送 RA 消息，该消息是对RA消息的请求。ICMPv6 RA消息包括:网络前缀和前缀长度、默认网关地址、DNS地址和域名。RA 消息有三种方法：SLAC、带无状态 DHCPv6 服务器的 SLAAC 和有状态的 DHCPv6（无 SLAAC）。借助 SLAAC，客户端设备使用 RA 消息中的信息创建其自己的GUA，因为该消息包含前缀和接口ID。对于带有无状态DHCPv6的SLAAC, RA消息建议设备使用SLAAC创建自己的IPv6 GUA，使用路由器LLA作为默认网关地址，并使用无状态DHCPv6服务器获取其他必要的信息。对于有状态的DHCPv6, RA建议设备使用路由器LLA作为默认网关地址，使用有状态的DHCPv6服务器获得GUA、DNS服务器地址、域名和所有其他必要的信息。接口 ID 可使用 EUI-64 流程或随机生成的 64 位数字创建。EUI流程使用客户端的 48 位以太网 MAC 地址，并在该 MAC 地址的中间插入另外 16 位来创建 64 位接口 ID。根据操作系统，设备可以使用随机生成的接口 ID。

IPv6 LLA的动态编址

所有 IPv6 设备都必须有 IPv6 LLA。LLA 可以手动配置或动态创建。操作系统，如Windows，通常会对SLAAC创建的GUA和动态分配的LLA使用相同的方法。当为接口分配GUA时，思科路由器会自动创建 IPv6 LLA。默认情况下，思科 IOS 路由器使用 EUI-64 为 IPv6 接口上的所有LLA生成接口 ID。对于串行接口，路由器会使用以太网接口的 MAC 地址。为了更容易在路由器上识别和记忆这些地址，通常要在路由器上静态配置 IPv6 LLA。要验证 IPv6 地址配置，请使用以下三个命令： show ipv6 interface brief、show ipv6 route 和 ping。

IPv6 组播地址

IPv6有两种类型的组播地址：知名组播地址和请求节点组播地址。分配的组播地址是为预先定义的设备组保留的组播地址。已分配的知名组播地址。两个通用 IPv6 分配的组播组是：ff02::1 全节点组播组和 ff02::2 全路由器组播组。请求节点组播地址类似于全节点组播地址。请求节点组播地址的优势在于它被映射到特殊的以太网组播地址。

IPv6 网络的子网

IPv6 的设计考虑到了子网划分。IPv6 GUA中的一个单独的子网ID字段用于创建子网。子网ID字段是全局路由前缀和接口ID之间的区域。128 位地址的好处在于，它可以为每个网络的每个子网支持足够多的子网和主机。地址保留不是问题。例如，如果全局路由前缀是a /48，并且使用一个典型的64位接口ID，这将创建一个16位子网ID:

由于有 65,536 个子网可供选择，网络管理员的任务就变为设计一个逻辑方案来分配网络地址。使用 IPv6 时地址保留并不是问题。与配置 IPv4 类似，每个路由器接口都可以配置到不同的 IPv6 子网中。