物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)第3章IPv6技術(shù)

1、物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)信息工程系 韋崇順 3.1IPv6技術(shù)概述 IPv6是Internet Protocol version 6的縮寫。IPv6是IETF設(shè)計的用于替代現(xiàn)行版本IP協(xié)議（IPv4)的下一代IP協(xié)議。目前廣泛使用的第二代互聯(lián)網(wǎng)IPv4技術(shù)，核心技術(shù)屬于美國。它的最大問題是網(wǎng)絡(luò)地址資源有限，從理論上講，能夠編址1 600萬個網(wǎng)絡(luò)、40億臺主機。但采用A、B、C三類編址方式后，可用的網(wǎng)絡(luò)地址和主機地址的數(shù)目大打折扣，以至目前的IP地址近乎枯竭。第3章 IPv6技術(shù) 3.1IPv6技術(shù)概述一方面是地址資源數(shù)量的限制，另一方面是隨著電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)將進入人們的日常生活，對能

2、身邊晌每一樣?xùn)|西都需要連入internet。在這樣的環(huán)境下，IPv6應(yīng)運而生。IPv6所擁有的地址容量是IPv4的約8xl028倍，達到2128-1個。這不但解決了網(wǎng)絡(luò)地址資源數(shù)量的問題，同時也為除計算機外的設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)在數(shù)量限制上掃清了障礙。 3.1IPv6技術(shù)概述但是與IPv4一樣，IPv6一樣會造成大量的IP地址浪費。準確地說，使用IPv6的網(wǎng)絡(luò)并沒有2128-1個能充分利用的地址。首先，要實現(xiàn)IP地址的自動配置，局域網(wǎng)所使用的子網(wǎng)的前綴必須等于64，但是很少有一個局域網(wǎng)能容納264個網(wǎng)絡(luò)終端；其次，由于IPv6的地址分配必須遵循聚類的原則，地址的浪費在所難免。 3.1IPv6技術(shù)概述

3、與IPv4相比，IPv6具有以下幾個優(yōu)勢：(1) IPv6具有更大的地址空間。IPv4中規(guī)定IP地址長度為32，而IPv6中IP地址的長度為128。(2) IPv6使用更小的路由表。 (3) IPv6增加了增強的組播（Multicast)支持以及對流的支持（Flow Control),這使得網(wǎng)絡(luò)上的多媒體應(yīng)用有了長足發(fā)展的機會，為服務(wù)質(zhì)量（QoS)控制提供了良好的網(wǎng)絡(luò)平臺。 3.1IPv6技術(shù)概述與IPv4相比，IPv6具有以下幾個優(yōu)勢：(4) IPv6加入了對自動配置（Auto Configuration)的支持。這是對DHCP協(xié)議的改進和擴展，使得網(wǎng)絡(luò)（尤其是局域網(wǎng)）的管理更加方便和快捷。

4、(5) IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6的網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以對網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)進行加密并對IP報文進行校驗，極大地增強了網(wǎng)絡(luò)的安全性。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址1、單播、任播和多播的概念一個單播地址唯一地標識出一個接口。一個接口可以有多個單播地址并且必須至少有一個鏈路本地地址。一個鏈路本地地址是在同一鏈路上的兩個節(jié)點之間使用。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址1、單播、任播和多播的概念一個任播地址是一組接口的標識符：一個發(fā)給任播地址的包，將會被交付給這組接口中的一個，通常是根據(jù)路由選擇度量最近的一個接口。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地

5、址1、單播、任播和多播的概念一個發(fā)送給多播地址的包將會被交付給多播地址所標識的所有接口。IPv6中沒有廣播，所以我們使用多播地址。在IPv4中路由控制包使用廣播地址，但在IPv6中使用特定的多播地址。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址2、 IPv6地址的表示32位的IPv4地址用以下的形式表示：x.y.z.t (例如202.117.128.8)。地址中的一部分表示網(wǎng)絡(luò)部分，剩下的表示主機部分。128位的IPv6地址通過表示成這樣的形式x:x:x:x:x:x:x:x，每個x是一個十六進制的值（表示 16 位），如2020:CA28:0000:0000:0023:0222:0000

6、:2900o 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址2、 IPv6地址的表示與IPv4中使用的無類別域間路由CIDR不同，IPv6沒有要求必須指明地址的網(wǎng)絡(luò)部分。在一個混合的環(huán)境（IPv4和IPv6)下，有時使用下面的格式更方便：2020:CA28:222:124.4.12.30 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址3、單播地址一個單播地址由一個子網(wǎng)前綴和一個接口標識符（接口 ID）組成。接口 ID用來標識鏈路上的一個接口，所以它在那條鏈路上必須是唯一的。通常，接口 ID與接口鏈路層地址是相同的。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址3、單播地址（1）全局單播

7、IPv6地址。如同在表3-1中表示的，全局單播地址的最左邊的3位設(shè)定為001。因此，全局單播地址屬于的范圍為2000:：到3FFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址3、單播地址（2）本地單播IPv6地址。有兩種類型的本地IPv6單播地址：鏈路本地的和站點本地的。鏈路本地單播地址用于單鏈路的自動配置，鄰居發(fā)現(xiàn)或在沒有路由器的情況下。由于范圍是本地的，鏈路本地的包永遠不會被路由器轉(zhuǎn)發(fā)到鏈路的范圍之外。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址3、單播地址站內(nèi)本地地址是在一個站點內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)使用的，不需要訪問

8、Internet。因此，帶有這樣地址的包不會被站點之外的路由器轉(zhuǎn)發(fā)。鏈路本地單播地址和站點本地單播地址的格式如圖3-1所示。所以一個鏈路本地范圍的單播地址總是以 FE80:0:0:0幵始，后面跟著接口 ID。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址3、單播地址 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.1 IPv6地址3、單播地址一個唯一本地單播地址的格式如圖3-2所示。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.2 IPv6報文IPv6報文由報頭和數(shù)據(jù)組成，IPv6報頭由3部分組成：IPv6報頭、擴展報頭及上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。IPv6報頭又稱“IPv6基本報頭”，每一個IPv6數(shù)據(jù)包都必須包含報頭，該報

9、頭長度固定為40字節(jié)。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.2 IPv6報文IPv6擴展報頭又稱下一個頭，擴展報頭是可選報頭，緊接在基本報頭之后。IPv6數(shù)據(jù)包可包含多個擴展報頭，而且擴展報頭的長度并不固定，IPv6擴展報頭代替了 IPv4報頭中的選項字段?！跋乱粓箢^”字段值所對應(yīng)的擴展報頭如表3-2所示。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.2 IPv6報文上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元由上層協(xié)議報頭和它的有效載荷構(gòu)成，有效載荷可以是一個ICMPv6報文、一個TCP報文或一個UDP報文。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.2 IPv6報文IPv6報文由IPv6基本報頭+擴展報頭+上層協(xié)議+數(shù)據(jù)組成，其中擴展報頭為可

10、選項，如表3-3所示。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.2 IPv6報文IPv6擴展報頭的類型:(1)逐跳選項報頭。(2)目的地選項報頭。(3)路由報頭。(4)分段報頭。(5)身份驗證報頭AH。(6)封裝安全載荷ESP報頭。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.2 IPv6報文如果在一個IPv6報文中，有多個擴展報頭，則應(yīng)嚴格按下列順序排列：基本報頭、逐跳選項報頭、目的選項擴展報頭、路由擴展報頭、分片擴展報頭、認證報頭、封裝安全有效負載報頭。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.3 ICMPv6ICMP在Internet里已經(jīng)應(yīng)用了很長時間，它的功能是錯誤報告和診斷，支持很多特性，例如請求/應(yīng)答、多種

11、錯誤提示、重定向等。ICMPv6是IPv6架構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，它不僅支持IPv4中可用的大多數(shù)特性，還增加了一些非1CMP協(xié)議所支持的特性，例如ARP、IGMP,還有IPv6中新增加的一些關(guān)鍵特性，例如自動配置。1CMPV6被標識為一個新的協(xié)議類型，是在前面的頭字段里指定的。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.3 ICMPv6ICMPv6規(guī)定了兩類消息：錯誤消息和信息消息。ICMPv6錯誤消息的類型字段的值的大小介于0127之間。表3-8列出了 ICMPv6錯誤消息，并附有簡短描述。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.3 ICMPv6所有接收到的包，如果IPv6頭或擴展頭出錯，則必須被丟棄掉，然后

12、接收方要發(fā)送一個ICMP錯誤消息。ICMP信息消息的類型字段的值的大小介于128255之間。表3-9列出了一些ICMPv6信息消息，并附有簡短描述。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議ND為IPv6提供了一系列關(guān)鍵的自動配置特性，例如鏈路上鄰居是否存在的發(fā)現(xiàn)，鏈路上的路由發(fā)現(xiàn)，鏈路層地址的發(fā)現(xiàn)，或維護到活動鄰居路徑的可到達信息。ND在IP智能物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中起著重要的作用。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議ND提供很多服務(wù)，包括以下幾種：(1)路由發(fā)現(xiàn)(2)前綴發(fā)現(xiàn)(3)參數(shù)發(fā)現(xiàn)(4)地址自動配置 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6

13、鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議(5)地址解析(6)下一跳決定(7)鄰居不可達檢測(8)重復(fù)地址檢測(9)重定向 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議1.鄰居請求消息NS消息用于地址解析、鄰居不可到達檢測NUD和DAD。節(jié)點發(fā)送NS消息給它知道IP地址的鄰居，用于獲得或確定鄰居的鏈路層地址。NS消息是多播包，它的目的地址使用目標地址的請求節(jié)點多播地址，源地址使用請求節(jié)點的地址或者在DAD過程中使用未指定地址。收到NS包后，如果正確，目標會答復(fù)一個鄰居通告NA消息。源地址和目的地址的選擇依賴于執(zhí)行的服務(wù)。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議1.鄰居請求消息NS可以包含一個鏈

14、路層地址選項。它允許接收方不通過執(zhí)行地址解析就獲知發(fā)送方的鏈路層地址。如果接收方想要確定初始的NS消息發(fā)送方是否可到達，它仍然需要執(zhí)行NUD。這個選擇并不是總允許出現(xiàn)的，例如一個執(zhí)行DAD過程的節(jié)點不能把它包含在NS消息里。最后，NS消息也被用來檢測一個鄰居是不可到達的。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議2.鄰居通告消息鄰居通告NA用來為請求節(jié)點提供鏈路層地址，或者用來通知鏈路層地址的改變。NA消息用于地址解析、NUD、DAD過程，是作為對NS消息的響應(yīng)，但它也可以用于其他用途，一般是采用非請求的方式來通知地址的改變或者移動事件。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 I

15、Pv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議2.鄰居通告消息源地址是發(fā)送方的地址。目的地址是收到的NS消息中的請求方的地址。如果NS消息中的源地址是未指定地址，那么目的地址是全節(jié)點多播地址。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議2.鄰居通告消息目標地址就是NS消息中存在的目標地址。如果有一個非請求消息，目標地址對應(yīng)于鏈路層地址己改變的節(jié)點的IP地址。在這樣的情況下，目的地址是全節(jié)點多播地址。NA消息通常攜帶目標鏈路層地址選項。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議3.路由器通告消息路由器通告RA消息由路由器定期發(fā)送，有多個目的：路由器通告RA消息通告自己的存在，并附加了多種鏈路和

16、因特網(wǎng)的參數(shù)，包括主機用于配置全局單播地址的網(wǎng)絡(luò)前綴信息。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議3.路由器通告消息RA消息可以由路由器以非請求的方式發(fā)送，如果節(jié)點不想要等待非請求的RA消息，也可以通過請求方式答復(fù)節(jié)點發(fā)送的RS消息。通過使用定時器，可以把它們輕微地隨機化，以避免鏈路上所有的路由器發(fā)生全局同步。 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議3.路由器通告消息RA消息包括一些前綴，它們用于判斷是否在鏈路上和/或自動地址配置。RA消息也用于通知節(jié)點它們是否應(yīng)該使用有狀態(tài)的和/或無狀態(tài)的地址配置。表3-12和表3-13分別展示了 RA消息和RS消息格式。

17、 3.2 IPv6技術(shù)原理3.2.4 IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議3.路由器通告消息路由器請求消息RS是由主機發(fā)送的，目的是獲得RA消息答復(fù)，而不用等待RA消息周期性計時器超時。RS消息的結(jié)構(gòu)是：源地址，用于發(fā)送RS消息的接口的IP地址，或在自動配置過程中的未指定地址；目的地址，通常是全路由多播地址。ICMP類型等于10。重定向消息，路由器發(fā)送重定向包給主機，通告一個通向目的地路徑上的更好的第一跳。 3.3 IPv6配置3.3.1 Windows系統(tǒng)下IPv6配置命令在Windows系統(tǒng)家族中對IPv6協(xié)議的配置方法有兩種：IPv6命令和netsh命令。我們可以用它們來查詢和配置IPv6的接口、地址、

18、高速緩存和路由。 3.3 IPv6配置3.3.3 IPv6靜態(tài)路由配置靜態(tài)路由是一種特殊的路由，它由管理員手工配置。當網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡申.時，只需配置靜態(tài)路由就可以使網(wǎng)絡(luò)正常工作。恰當?shù)卦O(shè)置和使用靜態(tài)路由可以改進網(wǎng)絡(luò)的性能，并對為重要的應(yīng)用保證帶寬。靜態(tài)路由的缺點在于：當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或者拓撲發(fā)生變化后，可能會出現(xiàn)路由不可達，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷，此時必須由網(wǎng)絡(luò)管理員手工修改靜態(tài)路由的配置。 3.3 IPv6配置3.3.3 IPv6靜態(tài)路由配置IPv6靜態(tài)路由與IPv4靜態(tài)路由類似，適合于一些結(jié)構(gòu)比較簡單的IPv6網(wǎng)絡(luò)。它們之間的主要區(qū)別是目的地址和下一跳地址有所不同，IPv6靜態(tài)路由使用的是IPv6地址

19、，而IPv4靜態(tài)路由使用IPv4地址。在配置丨Pv6靜態(tài)路由時，如果指定的目的地址為：/0，則表示配置了一條IPv6默認路由。如果報文的目的地址無法匹配路由表中的任何一項，路由器將選擇IPv6默認路由來轉(zhuǎn)發(fā)IPv6報文。 3.3 IPv6配置3.3.3 IPv6靜態(tài)路由配置在小型IPv6網(wǎng)絡(luò)中，可以通過配置IPv6靜態(tài)路由達到網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的目的。相對使用動態(tài)路由來說，可以節(jié)省帶寬，如表3-15所示。 3.3 IPv6配置3.3.3 IPv6靜態(tài)路由配置在配置IPv6靜態(tài)路由之前，需完成以下任務(wù):(1)配置相關(guān)接口的物理參數(shù)。(2)配置相關(guān)接口的鏈路層屬性。(3)使能IPv6報文轉(zhuǎn)發(fā)能力。(4)相鄰

20、節(jié)點網(wǎng)絡(luò)層可達。 3.3 IPv6配置3.3.3 IPv6靜態(tài)路由配置在完成上述配置后，在任意視圖下執(zhí)行 display 命令查看 IPv6 靜態(tài)路由配置的運行情況并檢驗配置結(jié)果，如表3-16所示。在系統(tǒng)視圖下執(zhí)行 delete 命令可以刪除所有靜態(tài)路由。 3.3 IPv6配置3.3.4 IPv6 DHCP 服務(wù)IPv6在IPv4的基礎(chǔ)上做了很多改進，如擴編地址（由32位擴編為128位）、支持無狀態(tài)地址自動配置、簡化報頭、身份驗證、支持新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（QoS)等，并且增強了移動性和安全性，這使得IPv6成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議。 3.3 IPv6配置3.3.4 IPv6 DHCP 服務(wù)無狀態(tài)地址自動配置是指主機通過監(jiān)聽路由通告獲得全局地址前綴（64位），然后在后邊綴上自己的接口地址得到全局IP地址。有狀態(tài)地址自動配置是由 IPv4下的DHCP 轉(zhuǎn)化而來，IPv6 繼承并改進了這種服務(wù)，即DHCPv6協(xié)議，它向IPv6 主機提供有狀態(tài)的地址配置或無狀態(tài)的配置設(shè)置。 3.3 IPv6配置3.4 IPv6 與物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)可以簡單地劃分為3個層次： 感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，分別為物聯(lián)網(wǎng)提供了一些重要的特性，即全面感知、可靠傳送、智能處理。 3.3 IPv6配置3.4 I