局域网中的IPv6

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摘要：文章分析了IPv6实施以后，局域网中几个重要协议的变化，包括手工配置IPv6地址和自动配置IPv6地址的协议，组播应用的增多和组播协议的改进，邻居发现协议取代ARP解析地址的过程。Internet可以看成是用路由器连接起来的多个局域网的网络，终端用户使用IPv6，最先的体验也可能是在局域网中。

关键词：IPv6协议 IPv6地址配置 IPv6组播 IPv6地址解析

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0058-02

1 引言

IPv4的一个最大问题是地址空间太小，只有32bit，虽然后来采用了无分类编址（CIDR）方法尽量提高地址利用率，但还是赶不上互联网用户的急剧膨胀，2011年下半年，IPv4地址分配完毕，向IPv6过渡已迫在眉睫。

IPv4的另一个问题是缺乏网络安全机制，虽然后来在IP层设计了IPsec和鉴别首部协议AH，在运输层使用SSL，但它们都不是最初的设计，不是操作系统的默认支持，所以使用的广泛性也就受到了抑制。

解决IPv4网络上述两个问题，通常采用的方法是在局域网内使用内部IP地址，用一个全球IP地址作为局域网的进出口地址，为多个内部IP地址服务，同时，局域网把防火墙装在进出口路由器上，在网络层过滤非法信息，从一定程度上弥补了IPv4的安全性缺陷。

使用内部IP地址需要服务器的支持，需要网络地址转换NAT技术的支持，本质上都要耗用带宽。同时，这种布网方式使得局域网中所有主机在互联网上都被屏蔽，只有服务器在互联网上可见，这也破坏了端到端的通信模型。

2 IPv6的的地址结构

IPv6基本首部长度为40字节，8字节对齐。IPv6数据报在基本首部的后面允许有零个或多个扩展首部，再后面是数据，但IPv6协议规定，扩展首部不属于数据报的首部，扩展首部与数据结合起来称为有效载荷（Payload），如（图1）所示。

IPv6地址长度为128bit，其中1/8的地址空间划分为全球单播地址，RFC3587建议的单播地址格式如下图所示（图2）。

全球路由选择前缀是第一级地址，占48位，前3位是001，剩余45位分配给各公司和组织，用于因特网中路由器的路由选择。子网标识符是第二级地址，占16位，用于各公司和组织创建自己的子网，对于不需要子网的单位，可把这个字段置为全0。对于接口标识符，一种方法是，将主机48位MAC地址转换填入，转换的方法如图3所示。

图3中，MAC地址前24位为公司标识，用c表示，G/L位假定是0，在转换时，必须为1，48位转换为64位，还需要插入16位，IPv6规定这16位的值是0xFFFE，并且插在24位公司标识之后，剩余的最低24位直接复制。

3 IPv6在局域网的应用

3.1 局域网的拓扑结构

目前主流局域网的都是用交换机将电脑连接起来，然后通过路由器接入因特网，如图4所示。

3.2 主机IP地址配置

在IPv4局域网中，主机IP地址配置成内部IP地址，有两种方式：一种是手动配置静态IP地址，路由器R作为默认网关；另一种是动态即自动获取IP地址，这种方式需要R开启DHCP服务。两种方式下，R都是，Internet上的主机只认识R。

在IPv6局域网中，主机的IP地址也可以采用手动方式配置，但由于IPv6地址较长，手动方式不方便，易出错，因此，多数情况下使用邻居发现协议（Neighbor Discovery Protocol，NDP）提供的即插即用特性自动配置主机IP地址，NDP使用ICMPv6协议在局域网中交换五种报文：

①路由请求报文：由主机发出，要求路由器立即产生路由通告信息，不必等待下一个周期时间；

②路由通告报文：由路由器发出，周期性地通告网络有关参数，或者对主机的路由请求报文作出响应。网络有关参数主要包括：on-link的确定、地址配置前缀和跳数限制等。

③邻居请求报文：由主机或结点发出，用来获取邻居链路层（MAC）地址，验证之前保存在缓存中的邻居链路层的可达性，或者验证自己的链路层地址在本地链路上是否唯一。

④邻居通告报文：对邻居请求报文的响应，主机或结点均可以发送该报文。

⑤重定向报文：由路由器发出，告知主机，到达某目的地的最佳下一跳发生改变，主机收到该报文，需要修改路由缓存中相应条目。

ipv6局域网中的IP地址自动配置方式有两种：即“有状态自动配置”和“无状态自动配置”，前者就是IPv4网中的DHCP方式的继承，后者配置IP地址的过程大致如下：

①IP地址形成：主机获取路由通告报文，取得链路前缀，也就是图2的第一级和第二级地址，将MAC地址按照图3的方法转换成接口标识符（图2的第三级地址），形成单播地址。

②地址冲突检测：主机发送邻居请求报文，这是一个多播报文，链路上所有结点和主机都会收到，如果没有得到回应，则表明刚刚形成的IPv6地址是唯一的，地址配置过程结束。考虑到允许手动配置IPv6地址，可能造成冲突，所以地址冲突检测这一步是必须的。如果得到回应，则表明有地址冲突，转第③步。

③重新生成IPv6地址：主机随机生成接口标识符，加上第①步取得的链路前缀作为IPv6地址，向本地链路中的所有路由器多点传送路由请求报文，路由器以路由公告报文响应，主机从路由公告报文中取得新的网络前缀，加上刚刚随机生成的接口标识符，组成新的IP地址。转到第②步。

IPv6提供一种大致相当于IPv4的内部IP地址的本地链路单播地址（Link-Local Unicast Address）供没有连接到因特网的局域网使用，但没有和NAT，所以IPv6没有真正意义上的内部的IP地址，只要局域网接上了因特网，主机配置的IPv6地址就是全球单播地址。

3.3 组播

IPv4网络的组播功能极少得到使用，主要原因可能是很多路由器不支持组播。为了适应越来越多的如多媒体会议（或教学）、群组数据分发、网络游戏、群组视频点播、群组网络聊天等网络应用，IPv6保留并完善了组播功能，使组播的实现和管理更方便和安全，这项功能需要IPv6路由器支持MLD协议。

3.3.1 IPv6组播地址

IPv6组播地址格式如图5所示，第1个字节为全1，标志字段高3位未定义，第4位为0，表示该组播地址是IANA指定的永久组播地址，为0，是临时组播地址。

范围字段目前定义了0、1、2、5、8、14（均为十进制数）六个数字，分表表示：系统保留、节点本地范围、链路本地范围、站点本地范围、机构本地范围、全球范围。机构网络一般由路由器连接多个局域网构成，该字段可以为1、2、3、8中的一个。

3.3.2 IPv6组播地址到MAC地址的映射

按RFC3513推荐，IPv6组播地址映射到MAC地址的方法是：将MAC地址48位的高16位规定为0x3333，剩余的低32位直接填入图5所示“组播标识符”的低32位，这样产生的组播标识符是唯一的（图6）。

3.3.3 IPv6组播协议

IPv6组播协议分两部分： 即主机一路由器协议，负责管理组成员的加入和离开；组播路由协议，负责组播信息的选路。

主机—路由器协议：主机到路由器之间运行的组管理协议。在局域网中，当主机需要加入到某个组播组时，就向同一子网中的所有组播路由器发送组成员报告消息，告诉路由器凡是发送到这个组播组的组播报文都必须发送到本地的子网中，这样主机的进程就可以接收到报文了，同时，子网中的组播路由器还要定期向其子网中所有主机发送组成员查询消息，查询是否有组成员存在于该子网中。

组播路由协议的任务是构造组播转发树，使组播数据包能够传送到相应的组播组。根据对网络中的组播成员的分布和使用的不同，组播路由协议分为密集模式路由协议DM和稀疏模式路由协议SM，局域网中使用密集模式路由协议。

密集模式协议的基本思想是：总是假定在子网中有接收者，因此组播路径初始扩散到网络的所有站点；然后对没有接收者的分支发送剪枝消息进行剪枝；在己经剪除的分支上出现新的接收者时可以主动发送加入消息来减少加入延迟。密集模式协议包括距离向量组播路由协议DVMRP、 开放式组播最短路径优先MOSPF和协议无关组播路由密集模式PIM—DM。协议的具体原理在此不赘述。

3.4 地址解析

IP地址是抽象的逻辑地址，实际的通信最终要靠MAC（物理）地址来实现，局域网中，发送方应用层产生的信息，在IP层，封装成IP数据报，目标地址是接收方的IPv6地址（假设为单播），如果目标IPv6地址与发送方在一条链路上，则需要知道目标的物理地址，如果不在一条链路上，则将数据报发给路由表的下一跳（对主机来说是默认网关），下一跳是一个IPv6地址，也需要知道它的物理地址，所以已知目标IPv6地址，寻找其相应的物理地址是局域网主机或路由器经常重复的工作，这个工作就是地址解析。

由3.2介绍可知，结点自动配置的IPv6地址，其“接口标识符”部分已包含自身的物理地址，可以由此析出物理地址，但因为存在手工配置IPv6地址的情况，所以在IPv6网中，仍然需要地址解析。IPv6体系结构的IP层中，取消了ARP协议，采用下述方法进行地址解析：

IPv61（源）以IPv62（目标）为索引查找邻居缓存，如果存在MAC2（IPv62对应的MAC地址）且状态为“可达”，则直接将MAC2交给下层封装成帧；如果不存在，则发送“邻居请求”报文（见3.2），报文中包含自己的MAC地址（MAC1），链路本地范围的所有结点都会收到此报文，只有IPv62会以“邻居通告”（见3.2）报文响应，在响应报文中包含MAC2，IPV61将响应报文中的MAC2写入邻居缓存，并记状态为“可达”，地址解析过程结束。

4 结语

互联网可以看成是用路由器连接起来的一个个局域网的集合，互联网协议的变化，对局域网影响很大。IPv6协议的实施，在局域网中第一个主要变化就是结点IP地址配置方式的变化，由内部IPv4地址变为自动配置全球单播IPv6地址；第二个变化就是组播应用会增多，路由器要支持组播协议；第三个变化是不使用了ARP，而使用邻居发现协议来完成地址解析功能。对网络管理员来说，这些协议的变化将增加维护IPv6局域网的方便性。

参考文献

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