第26章Pv6编址 在本书第五部分的第一章，我们要介绍的是IPv6中的编址。IPv4协议的地址耗尽问题 是开发IPv6协议的一个主要原因。正如我们将在本章看到的，IPv6地址的结构与IPv4地 址的结构有着一些本质上的不同。在IPv6中再也不用担心地址耗尽问题了。 目标 本章有以下几个目标： ●介绍IPv6的编址机制以及这一版所使用的几种表示地址的不同记法。 ●解释IPv6中使用的三类编址类型：单播、任播和多播。 ●说明1P6的地址空间，以及它是如何被划分为若干个地址块的。 ● 讨论地址空间中的一些被保留的地址块以及它们的应用。 定义全球单播地址块以及它如何被应用于单播通信。 ●讨论在IPv6布署全球单播地址块时，如何应用了分为三级的分级编址技术。 ·讨论1Pv6地址的自动配置和重新编号问题。 26.1引言 IPv6地址的长度是128位或者说16个字节（八位组），如图26.1所示。IPv6地址 的长度是IPv4地址长度的四倍。 128位 1111110111101100 1110110110101011 图26.1IPv6地址 26.1.1记法 在计算机中，地址通常以二进制保存，但是很显然，128位的长度对人类来说不是 那么容易掌握的。为了让人类能够处理这些地址，已经建议了多种用来表示IPv6地址 的记法。 点分十进制记法 为了与IPv4地址兼容，我们会很自然地想到要使用点分十进制记法，就像表示IPv4 地址那样（第5章）。虽然这种记法对于4字节的IPv4地址很方便，但是对于16字节的IPv6 地址来说，这种记法显得有点太长，如下所示： 221.14.65.11.105.45.170.34.12.234.18.0.14.0.i15.255 这种记法很少被使用，除了有些情况可能会使用其中的某一部分，稍后将会看到。 十六进制冒号记法 为了使地址的可读性更好，IPv6地址协议指明了十六进制冒号记法(colon hexadecimal notation),。在这种记法中，128位被划分为八区，每个区的长度为两字节。在十六进制记 法中，两个字节需要4个十六进制数字，因此，IPv6地址由32个十六进制数字组成，每4 个数字用一个冒号分隔开。图26.2所示为用十六进制冒号记法表示的一个IPv6地址。 FDEC:BA98:7654:3210:ADBF:BBFF:2922:FFFF
第 26 章 IPv6 编址 在本书第五部分的第一章，我们要介绍的是 IPv6 中的编址。IPv4 协议的地址耗尽问题 是开发 IPv6 协议的一个主要原因。正如我们将在本章看到的，IPv6 地址的结构与 IPv4 地 址的结构有着一些本质上的不同。在 IPv6 中再也不用担心地址耗尽问题了。 目标 本章有以下几个目标： 介绍 IPv6 的编址机制以及这一版所使用的几种表示地址的不同记法。 解释 IPv6 中使用的三类编址类型：单播、任播和多播。 说明 IPv6 的地址空间，以及它是如何被划分为若干个地址块的。 讨论地址空间中的一些被保留的地址块以及它们的应用。 定义全球单播地址块以及它如何被应用于单播通信。 讨论在 IPv6 布署全球单播地址块时，如何应用了分为三级的分级编址技术。 讨论 IPv6 地址的自动配置和重新编号问题。 26.1 引言 IPv6 地址的长度是 128 位或者说 16 个字节（八位组），如图 26.1 所示。IPv6 地址 的长度是 IPv4 地址长度的四倍。 图 26.1 IPv6 地址 26.1.1 记法 在计算机中，地址通常以二进制保存，但是很显然，128 位的长度对人类来说不是 那么容易掌握的。为了让人类能够处理这些地址，已经建议了多种用来表示 IPv6 地址 的记法。 点分十进制记法 为了与 IPv4 地址兼容，我们会很自然地想到要使用点分十进制记法，就像表示 IPv4 地址那样（第 5 章）。虽然这种记法对于 4 字节的 IPv4 地址很方便，但是对于 16 字节的 IPv6 地址来说，这种记法显得有点太长，如下所示： 这种记法很少被使用，除了有些情况可能会使用其中的某一部分，稍后将会看到。 十六进制冒号记法 为了使地址的可读性更好，IPv6 地址协议指明了十六进制冒号记法(colon hexadecimal notation)。在这种记法中，128 位被划分为八区，每个区的长度为两字节。在十六进制记 法中，两个字节需要 4 个十六进制数字，因此，IPv6 地址由 32 个十六进制数字组成，每 4 个数字用一个冒号分隔开。图 26.2 所示为用十六进制冒号记法表示的一个 IPv6 地址
图26.2十六进制冒号记法 这个IP地址即使用十六进制格式表示起来也很长，不过其中有许多数字都是零。在这 种情况下，我们可以对这个地址进行简写。一个区（即两个冒号之间的4个数字）开头的几 个零可以忽略。使用这种简写方式，0074可以写为74,000F可以写为F,而0000则写为0。 请注意，3210不能被简写。 如果连续几个区都只包含了0，那么这个十六进制冒号记法还可以更进一步简写，通常 称为零压缩(zero compression).。我们可以把这些零全部去掉，取而代之的是一个双冒号。 图26.3描绘了这个概念。 FDEC:0:0:0:0:BBFF:0:FFFF FDEC:BBFF:0:FFFF 原始地址 零压缩后 图26.3零压缩 请注意，这种类型的简写对一个地址仅能使用一次。若有两串零段，则只能将其中之一 进行压缩。 混合表示法 有时候我们会看到一种混合表示的IPv6地址：十六进制冒号记法加上点分十进制记法。 这种表示方法适用于将一个IPv4地址嵌入到一个IPv6地址中的过渡时期（作为最左边的 32位)。我们可以对地址最左边的6个区使用十六进制冒号记法，而最靠右的两个区则以4 个字节的点分十进制记法取代，如下所示： FDEC:14AB:2311:BBFE:AAAA:BBBB:130.24.24.18 但是，通常只在这个IP6地址最右边的区全部或大部分为零时才会这样写。例如，下 面所示为一个合法的IPv6地址，其中的零压缩表示这个地址最左边的96位全部是零： :130.24.24.18 CIDR记法 稍后我们会看到，IPv6使用了分级的编址技术。正是因为这个原因，IPv6允许无分类编址 和CIDR记法。例如，图26.4所示为我们如何使用CID定义一个60位的前缀。在后面我们 将会说明一个IPv6地址是如何划分前缀和后缀的。 FDEC BBFF:0:FFFF/60 图26.4CIDR地址 例26.1 给出以下IPv6地址的未经简写的十六进制冒号记法表示： a.64个0之后跟着64个1的地址。 b.128个0组成的地址。 c.128个1组成的地址。 d.128个1和0交替组成的地址。 解 a.0000:0000:0000:0000:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF b.0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000 C.FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF d.AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA 例26.2 下面所示为例26.1中的地址经过零压缩后(c和d部分不能被简写)的形式：
图 26.2 十六进制冒号记法 这个 IP 地址即使用十六进制格式表示起来也很长，不过其中有许多数字都是零。在这 种情况下，我们可以对这个地址进行简写。一个区（即两个冒号之间的 4 个数字）开头的几 个零可以忽略。使用这种简写方式，0074 可以写为 74，OOOF 可以写为 F，而 0000 则写为 0。 请注意，3210 不能被简写。 如果连续几个区都只包含了 0，那么这个十六进制冒号记法还可以更进一步简写，通常 称为零压缩(zero compression)。我们可以把这些零全部去掉，取而代之的是一个双冒号。 图 26.3 描绘了这个概念。 图 26.3 零压缩 请注意，这种类型的简写对一个地址仅能使用一次。若有两串零段，则只能将其中之一 进行压缩。 混合表示法 有时候我们会看到一种混合表示的 IPv6 地址：十六进制冒号记法加上点分十进制记法。 这种表示方法适用于将一个 IPv4 地址嵌入到一个 IPv6 地址中的过渡时期（作为最左边的 32 位）。我们可以对地址最左边的 6 个区使用十六进制冒号记法，而最靠右的两个区则以 4 个字节的点分十进制记法取代，如下所示： 但是，通常只在这个 IPv6 地址最右边的区全部或大部分为零时才会这样写。例如，下 面所示为一个合法的 IPv6 地址，其中的零压缩表示这个地址最左边的 96 位全部是零： CIDR 记法 稍后我们会看到，IPv6 使用了分级的编址技术。正是因为这个原因，IPv6 允许无分类编址 和 CIDR 记法。例如，图 26.4 所示为我们如何使用 CIDR 定义一个 60 位的前缀。在后面我们 将会说明一个 IPv6 地址是如何划分前缀和后缀的。 图 26.4 CIDR 地址 例 26.1 给出以下 IPv6 地址的未经简写的十六进制冒号记法表示： a．64 个 0 之后跟着 64 个 1 的地址。 b．128 个 0 组成的地址。 c．128 个 1 组成的地址。 d．128 个 1 和 0 交替组成的地址。 解 a. OOOO:OOOO:OOOO:OOOO:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF b. 0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000 C. FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF d. AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA 例 26.2 下面所示为例 26.1 中的地址经过零压缩后（c 和 d 部分不能被简写）的形式：
a.FFFF:FFFF:FFFF:FFFF b.: c.FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF d.AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA 例26.3 给出以下地址的简写表示： a.0000:0000:FF℉℉：0000：0000：0000：0000：0000 b.1234:2346:0000:0000:0000:0000:0000:1111 c.0000:0001:0000:0000:0000:0000:1200:1000 d.0000:0000:0000:0000:0000:FFFF:24.123.12.6 解 a.0:0:FFFF:: b.1234:2346::1111 c.0:1:1200:1000 d.::FFF℉：24.123.12.6 例26.4 对以下地址进行解压缩，给出对应的未经简写的Pv6地址的完整表示： a.1111::2222 b.:: c.0:1: d.AAAA:A:AA::1234 解 a.1111:0000:0000:0000:0000:0000:0000:2222, b.0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000 c.0000:0001:0000:0000:0000:0000:0000:0000 d.AAAA:000A:00AA:0000:0000:0000:0000:1234 26.1.2地址空间 IPv6的地址空间包含了2个地址，如下所示。这个地址空间是IPv4地址数量的 2倍，肯定不会存在地址耗尽的问题了。 2128=340282366920938463374607431768211456 例26.5 为了对这个地址数量有一个直观的印象，让我们假设地球上的总人口数量即将达到24 (超过160亿)。那么每个人仍然有2个地址可供使用。 例26.6 如果我们每年向用户指派2（几乎每秒10亿）个地址，那么需要花2年才能让地址 耗尽。 例26.7 如果在地球的整个表面上，不管是陆地还是海洋，建造一座高耸入云的大楼，使得每一 平方米的地面上都能容纳2“台计算机，还是有足够的地址可以把所有的计算机都连接到因 特网上（地球的表面面积大约为2平方米）
a.::FFFF:FFFF:FFFF:FFFF b．：： c. FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF d. AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA:AAAA 例 26.3 给出以下地址的简写表示： a. OOOO:OOOO:FFFF:OOOO:OOOO:OOOO:OOOO:OOOO b. 1234:2346:0000:0000:0000:0000:0000:1111 c. 0000:0001:0000:0000:0000:0000:1200:1000 d. OOOO:OOOO:OOOO:OOOO:OOOO:FFFF:24.123.12.6 解 a．O:O:FFFF:: b．1234:2346::1111 c．0:1::1200:1000 d．：:FFFF:24.123.12.6 例 26.4 对以下地址进行解压缩，给出对应的未经简写的 IPv6 地址的完整表示： a．1111::2222 b．：： c．0：1：： d．AAAA:A:AA::1234 解 a. 1111:0000:0000:0000:0000:0000:0000:2222, b. 0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000 c. 0000:0001:0000:0000:0000:0000:0000:0000 d. AAAA:OOOA:OOAA:0000:0000:0000:0000:1234 26.1.2 地址空间 IPv6 的地址空间包含了 2 128个地址，如下所示。这个地址空间是 IPv4 地址数量的 296倍，肯定不会存在地址耗尽的问题了。 例 26.5 为了对这个地址数量有一个直观的印象，让我们假设地球上的总人口数量即将达到 2 34 （超过 160 亿）。那么每个人仍然有 2 94个地址可供使用。 例 26.6 如果我们每年向用户指派 2 60（几乎每秒 10 亿）个地址，那么需要花 2 68年才能让地址 耗尽。 例 26.7 如果在地球的整个表面上，不管是陆地还是海洋，建造一座高耸入云的大楼，使得每一 平方米的地面上都能容纳 2 68台计算机，还是有足够的地址可以把所有的计算机都连接到因 特网上（地球的表面面积大约为 2 60平方米）
26.1.3三种地址类型 在IPv6中，一个目的地址可以属于以下三种类型之一：单播的、任播的和多播的。 单播地址 单播地址定义了一个接口（计算机或路由器）。发送到单播地址的分组必须交付给这个 指定的计算机。我们将在稍后会看到，IPv6为单播通信设计了一个很大的地址块，其中的 单播地址都可以指派给接口使用。 任播地址 任播地址定义了一组共享一个地址的计算机。发送到任播地址的分组会被交付给这个组 的成员之一，也就是最容易到达的那一个。例如，当多台服务器都能响应某个查询时，就可 以使用任播通信。这个查询请求被发送到最容易到达的那台服务器。产生请求的硬件和软件 只生成了一份请求的副本，而该副本也仅到达其中的一台服务器。IPv6没有为任播设计专 门的地址块，这些任播地址是从单播地址块中指派的。 多播地址 多播地址定义的也是一组计算机，但是任播和多播是有区别的。在多播通信中，多播组 的每个成员都会接收到一个副本。稍后我们将会看到，IPv6发送到多播地址的分组必须交 付给该组中的每一个成员。IPv6为多播通信设计了一个地址块，从这个地址块中可以向一 个组的所有成员指派相同的地址。 26.1.4广播和多播 有趣的是IPv6没有定义广播通信，哪怕是在有限范围内的广播，这一点不像IPv4。 在第5章中，我们讨论了在一个地址块中的某些地址能够被用于有限的广播。我们将会 看到，IPv6认为广播就是多播的一种特殊情况。 26.2地址空间分配 像IPv4的地址空间一样，IPv6的地址空间被划分为若干个大小不同的地址块，并 为每种特定的任务分配一个地址块。这些地址块中的绝大部分尚未指派，被留作将来使 用。为了更好地理解地址空间中每个地址块的分配及其所处的位置，我们首先将完整的 地址空间划分为八个大小相等的区。这种划分并不表示地址块的分配，只是我们认为这 样做可以更好地说明每个实际的地址块所处的位置（图26.5）。 地址空间=212%个地址 8 1/8 1/8 1/8 1/8 1/8 1/8 1/R 保留的 全球单播 保留的 保留的 保留的 保留的 保留的 保留的 指派的 指派的 E G H I JKLMN A:1/256Pv4兼容 D:1/64保留的 G:1/16保留的 K:1/512保留的 B:1256保留的 E:1/32保留的 H:1/32保留的 L:1/1024本地链路 C:1/128保留的 F:1/16保留的 1:1/64保留的 M:1/256保留的 J:1/128唯一本地单播 N:1/256多播 图26.5地址空间的分配 每一个区是整个地址空间的1/8（即25个地址）。第一个区包含了六个长度不等的地址
26.1.3 三种地址类型 在 IPv6 中，一个目的地址可以属于以下三种类型之一：单播的、任播的和多播的。 单播地址 单播地址定义了一个接口（计算机或路由器）。发送到单播地址的分组必须交付给这个 指定的计算机。我们将在稍后会看到，IPv6 为单播通信设计了一个很大的地址块，其中的 单播地址都可以指派给接口使用。 任播地址 任播地址定义了一组共享一个地址的计算机。发送到任播地址的分组会被交付给这个组 的成员之一，也就是最容易到达的那一个。例如，当多台服务器都能响应某个查询时，就可 以使用任播通信。这个查询请求被发送到最容易到达的那台服务器。产生请求的硬件和软件 只生成了一份请求的副本，而该副本也仅到达其中的一台服务器。IPv6 没有为任播设计专 门的地址块，这些任播地址是从单播地址块中指派的。 多播地址 多播地址定义的也是一组计算机，但是任播和多播是有区别的。在多播通信中，多播组 的每个成员都会接收到一个副本。稍后我们将会看到，IPv6 发送到多播地址的分组必须交 付给该组中的每一个成员。IPv6 为多播通信设计了一个地址块，从这个地址块中可以向一 个组的所有成员指派相同的地址。 26.1.4 广播和多播 有趣的是 IPv6 没有定义广播通信，哪怕是在有限范围内的广播，这一点不像 IPv4。 在第 5 章中，我们讨论了在一个地址块中的某些地址能够被用于有限的广播。我们将会 看到， IPv6 认为广播就是多播的一种特殊情况。 26.2 地址空间分配 像 IPv4 的地址空间一样，IPv6 的地址空间被划分为若干个大小不同的地址块，并 为每种特定的任务分配一个地址块。这些地址块中的绝大部分尚未指派，被留作将来使 用。为了更好地理解地址空间中每个地址块的分配及其所处的位置，我们首先将完整的 地址空间划分为八个大小相等的区。这种划分并不表示地址块的分配，只是我们认为这 样做可以更好地说明每个实际的地址块所处的位置（图 26.5）。 图 26.5 地址空间的分配 每一个区是整个地址空间的 1/8（即 2 125个地址）。第一个区包含了六个长度不等的地址
块，其中三个地址块是保留的，另外三个地址块是未指派的。第二个区被认为就是一个地址 块，用于全球单播地址，我们在本章的后面将会进一步讨论。接下来的五个区都是未指派的 地址。最后一个区划分为八个地址块，其中有些地址块属于尚未指派的地址，另一些则被保 留作特殊用途。从图中可以看出有5/8的地址空间还没有被指派。只有1/8的地址空间用于 用户之间的单播通信。 表26.1给出了每种类型的地址的前缀。第五列表示每一种地址类型相对于整个地址空 间所占据的份额。最左边一列不是标准中的一部分，一它只是显示了图26.5所描绘的地址 区。 表26.11Pv6地址的类型前缀 地址块前缀 CIDR 地址块分配 份额 00000000 0000:/8 保留(IPv4兼容) 1/256 00000001 0100:/8 保留 1/256 0000001 0200:/7 保留 1/128 续表 地址块前缀 CIDR 地址块分配 份额 000001 0400:/6 保留 1/64 00001 0800:/5 保留 1/32 0001 1000:/4 保留 1/16 2 001 2000:/3 全球单播 1/8 010 4000:/3 保留 1/8 4 011 6000:/3 保留 1/8 5 100 8000:/3 保留 1/8 6 101 A000:/3 保留 1/8 1 110 C000:/3 保留 1/8 1110 E000:/4 保留 1/16 11110 F000:/5 保留 1/32 111110 F800:/6 保留 1/64 1111110 FC00:/7 唯一的本地单播 1/128 111111100 FE00:/8 保留 1/512 1111111010 FE80:/10 本地链路地址 1/1024 1111111011 FEC0:/10 保留 1/1024 11111111 FF00:/8 多播地址 1/256 例26.8 图26.5仅显示出了用于全球单播通信的地址在地址空间中是哪一部分，那么在这个地 址块中一共有多少个地址？ 解 这个地址块仅占地址空间的1/8。为了计算这些地址的数量，我们可以用完整的地址空 间除以8或23。结果是(2128)/(23)=2125，很大的一个地址块。 算法 为了说明根据表26.1中列出的那些前缀，能够为一个IPv6地址无二义性地找到其相应 的地址块，我们构造了如图26.6所示的算法流程图。这个算法可用于编写一段程序，以找 出一个给定的地址所属的地址块。这个算法最多只需检查10位就能找出该地址所属的地址
块，其中三个地址块是保留的，另外三个地址块是未指派的。第二个区被认为就是一个地址 块，用于全球单播地址，我们在本章的后面将会进一步讨论。接下来的五个区都是未指派的 地址。最后一个区划分为八个地址块，其中有些地址块属于尚未指派的地址，另一些则被保 留作特殊用途。从图中可以看出有 5/8 的地址空间还没有被指派。只有 1/8 的地址空间用于 用户之间的单播通信。 表 26.1 给出了每种类型的地址的前缀。第五列表示每一种地址类型相对于整个地址空 间所占据的份额。最左边一列不是标准中的一部分，一它只是显示了图 26.5 所描绘的地址 区。 表 26.1IPv6 地址的类型前缀 例 26.8 图 26.5 仅显示出了用于全球单播通信的地址在地址空间中是哪一部分，那么在这个地 址块中一共有多少个地址？ 解 这个地址块仅占地址空间的 1/8。为了计算这些地址的数量，我们可以用完整的地址空 间除以 8 或 23。结果是(2128)/(23)= 2125，很大的一个地址块。 算法 为了说明根据表 26.1 中列出的那些前缀，能够为一个 IPv6 地址无二义性地找到其相应 的地址块，我们构造了如图 26.6 所示的算法流程图。这个算法可用于编写一段程序，以找 出一个给定的地址所属的地址块。这个算法最多只需检查 10 位就能找出该地址所属的地址