IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)

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:

IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)》(本文) 《IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(下篇)》

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

▲ 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:

▲ 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。

▲ 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:

2001 12:0:0:2AA: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:

2001 12::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:

▲ 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

▲ 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

▲ 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:

▲ 图7:Linux下查看链路本地地址

▲ 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

▲ 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 ——)

附录:更多相关文章

[1] 更多网络编程基础资料:TCP/IP详解 - 第11章·UDP:用户数据报协议》 《TCP/IP详解 - 第17章·TCP:传输控制协议》 《TCP/IP详解 - 第18章·TCP连接的建立与终止》 《TCP/IP详解 - 第21章·TCP的超时与重传》 《技术往事:改变世界的TCP/IP协议(珍贵多图、手机慎点)》 《通俗易懂-深入理解TCP协议(上):理论基础》 《通俗易懂-深入理解TCP协议(下):RTT、滑动窗口、拥塞处理》 《理论经典:TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》 《理论联系实际:Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》 《计算机网络通讯协议关系图(中文珍藏版)》 《UDP中一个包的大小最大能多大?》 《P2P技术详解(一):NAT详解——详细原理、P2P简介》 《P2P技术详解(二):P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》 《P2P技术详解(三):P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》 《通俗易懂:快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》 《高性能网络编程(一):单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》 《高性能网络编程(二):上一个10年,著名的C10K并发连接问题》 《高性能网络编程(三):下一个10年,是时候考虑C10M并发问题了》 《高性能网络编程(四):从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》 《不为人知的网络编程(一):浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》 《不为人知的网络编程(二):浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)》 《不为人知的网络编程(三):关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》 《不为人知的网络编程(四):深入研究分析TCP的异常关闭》 《不为人知的网络编程(五):UDP的连接性和负载均衡》 《不为人知的网络编程(六):深入地理解UDP协议并用好它》 《不为人知的网络编程(七):如何让不可靠的UDP变的可靠?》 《网络编程懒人入门(一):快速理解网络通信协议(上篇)》 《网络编程懒人入门(二):快速理解网络通信协议(下篇)》 《网络编程懒人入门(三):快速理解TCP协议一篇就够》 《网络编程懒人入门(四):快速理解TCP和UDP的差异》 《网络编程懒人入门(五):快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》 《技术扫盲:新一代基于UDP的低延时网络传输层协议——QUIC详解》 《让互联网更快:新一代QUIC协议在腾讯的技术实践分享》 《现代移动端网络短连接的优化手段总结:请求速度、弱网适应、安全保障》 《聊聊iOS中网络编程长连接的那些事》 《移动端IM开发者必读(一):通俗易懂,理解移动网络的“弱”和“慢”》 《移动端IM开发者必读(二):史上最全移动弱网络优化方法总结》 《IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)》 >> 更多同类文章 …… [2] QQ、微信团队分享的其它技术文章:微信朋友圈千亿访问量背后的技术挑战和实践总结》 《腾讯技术分享:腾讯是如何大幅降低带宽和网络流量的(图片压缩篇)》 《腾讯技术分享:腾讯是如何大幅降低带宽和网络流量的(音视频技术篇)》 《微信团队分享:微信移动端的全文检索多音字问题解决方案》 《腾讯技术分享:Android版手机QQ的缓存监控与优化实践》 《微信团队分享:iOS版微信的高性能通用key-value组件技术实践》 《微信团队分享:iOS版微信是如何防止特殊字符导致的炸群、APP崩溃的?》 《腾讯技术分享:Android手Q的线程死锁监控系统技术实践》 《微信团队原创分享:iOS版微信的内存监控系统技术实践》 《让互联网更快:新一代QUIC协议在腾讯的技术实践分享》 《iOS后台唤醒实战:微信收款到账语音提醒技术总结》 《腾讯技术分享:社交网络图片的带宽压缩技术演进之路》 《微信团队分享:视频图像的超分辨率技术原理和应用场景》 《微信团队分享:微信每日亿次实时音视频聊天背后的技术解密》 《QQ音乐团队分享:Android中的图片压缩技术详解(上篇)》 《QQ音乐团队分享:Android中的图片压缩技术详解(下篇)》 《腾讯团队分享:手机QQ中的人脸识别酷炫动画效果实现详解》 《腾讯团队分享 :一次手Q聊天界面中图片显示bug的追踪过程分享》 《微信团队分享:微信Android版小视频编码填过的那些坑》  《微信手机端的本地数据全文检索优化之路》  《企业微信客户端中组织架构数据的同步更新方案优化实战》 《微信团队披露:微信界面卡死超级bug“15。。。。”的来龙去脉》 《QQ 18年:解密8亿月活的QQ后台服务接口隔离技术》 《月活8.89亿的超级IM微信是如何进行Android端兼容测试的》 《以手机QQ为例探讨移动端IM中的“轻应用”》 《一篇文章get微信开源移动端数据库组件WCDB的一切!》 《微信客户端团队负责人技术访谈:如何着手客户端性能监控和优化》 《微信后台基于时间序的海量数据冷热分级架构设计实践》 《微信团队原创分享:Android版微信的臃肿之困与模块化实践之路》 《微信后台团队:微信后台异步消息队列的优化升级实践分享》 《微信团队原创分享:微信客户端SQLite数据库损坏修复实践》  《腾讯原创分享(一):如何大幅提升移动网络下手机QQ的图片传输速度和成功率》  《腾讯原创分享(二):如何大幅压缩移动网络下APP的流量消耗(下篇)》  《腾讯原创分享(三):如何大幅压缩移动网络下APP的流量消耗(上篇)》  《微信Mars:微信内部正在使用的网络层封装库,即将开源》  《如约而至:微信自用的移动端IM网络层跨平台组件库Mars已正式开源》  《开源libco库:单机千万连接、支撑微信8亿用户的后台框架基石 [源码下载]》  《微信新一代通信安全解决方案:基于TLS1.3的MMTLS详解》  《微信团队原创分享:Android版微信后台保活实战分享(进程保活篇)》  《微信团队原创分享:Android版微信后台保活实战分享(网络保活篇)》  《Android版微信从300KB到30MB的技术演进(PPT讲稿) [附件下载]》  《微信团队原创分享:Android版微信从300KB到30MB的技术演进》  《微信技术总监谈架构:微信之道——大道至简(演讲全文)》 《微信技术总监谈架构:微信之道——大道至简(PPT讲稿) [附件下载]》  《如何解读《微信技术总监谈架构:微信之道——大道至简》》 《微信海量用户背后的后台系统存储架构(视频+PPT) [附件下载]》 《微信异步化改造实践:8亿月活、单机千万连接背后的后台解决方案》  《微信朋友圈海量技术之道PPT [附件下载]》  《微信对网络影响的技术试验及分析(论文全文)》  《一份微信后台技术架构的总结性笔记》  《架构之道:3个程序员成就微信朋友圈日均10亿发布量[有视频]》  《快速裂变:见证微信强大后台架构从0到1的演进历程(一)》 《快速裂变:见证微信强大后台架构从0到1的演进历程(二)》  《微信团队原创分享:Android内存泄漏监控和优化技巧总结》  《全面总结iOS版微信升级iOS9遇到的各种“坑”》  《微信团队原创资源混淆工具:让你的APK立减1M》  《微信团队原创Android资源混淆工具:AndResGuard [有源码]》  《Android版微信安装包“减肥”实战记录》  《iOS版微信安装包“减肥”实战记录》  《移动端IM实践:iOS版微信界面卡顿监测方案》  《微信“红包照片”背后的技术难题》  《移动端IM实践:iOS版微信小视频功能技术方案实录》  《移动端IM实践:Android版微信如何大幅提升交互性能(一)》 《移动端IM实践:Android版微信如何大幅提升交互性能(二)》 《移动端IM实践:实现Android版微信的智能心跳机制》  《移动端IM实践:WhatsApp、Line、微信的心跳策略分析》  《移动端IM实践:谷歌消息推送服务(GCM)研究(来自微信)》 《移动端IM实践:iOS版微信的多设备字体适配方案探讨》  《信鸽团队原创:一起走过 iOS10 上消息推送(APNS)的坑》 《腾讯信鸽技术分享:百亿级实时消息推送的实战经验》 《IPv6技术详解:基本概念、应用现状、技术实践(上篇)》 >> 更多同类文章 ……

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