Обзор протокола Интернета версии 6 (IPv6)

Статья
04/11/2023

Протокол Интернета версии 6 (IPv6) — это набор стандартных протоколов для сетевого уровня Интернета. IPv6 предназначен для решения многих проблем текущей версии набора протоколов Интернета (известного как IPv4) об истощении адресов, безопасности, автоматической конфигурации, расширяемости и т. д. IPv6 расширяет возможности Интернета для активации новых видов приложений, включая приложения для одноранговой сети и мобильных устройств. Ниже приведены основные проблемы текущего протокола IPv4.

Быстрое исчерпание диапазона адресов.

Это привело к использованию трансляторов сетевых адресов (NAT), которые сопоставляют несколько частных адресов с одним общедоступным IP-адресом. Основными проблемами, создаваемыми этим механизмом, являются затраты на обработку и отсутствие сквозной связи.
Отсутствие поддержки иерархии.

Из-за своей изначально предопределенной организации классов в IPv4 отсутствует настоящая иерархическая поддержка. Невозможно структурировать IP-адреса таким образом, который действительно сопоставляет топологию сети. Этот ключевой недостаток приводит к необходимости использования больших таблиц маршрутизации для доставки пакетов IPv4 в любое место в Интернете.
Сложная конфигурация сети.

При использовании протокола IPv4 адреса должны назначаться статически или с помощью протокола конфигурации, например DHCP. В идеальном случае узлам не придется зависеть от администрирования инфраструктуры DHCP. Вместо этого они смогут выполнять самостоятельную настройку с учетом сегмента сети, в котором они расположены.
Отсутствие встроенной проверки подлинности и конфиденциальности.

IPv4 не требует поддержки любого механизма, предоставляющего проверку подлинности или шифрование обмененных данных. Этот момент меняется при использовании IPv6. IPSec является требованием поддержки IPv6.

Новый набор протоколов должен удовлетворять следующим базовым требованиям:

Широкомасштабная маршрутизация и адресация с низкими издержками.
Автоматическая настройка для различных ситуаций подключения.
Встроенная проверка подлинности и конфиденциальность.

Адресация IPv6

С IPv6 адреса длиной 128 бит. Одна из причин такого большого адресного пространства заключается в том, чтобы разделить доступные адреса на иерархию доменов маршрутизации, отражающих топологию Интернета. Другая причина состоит в том, чтобы сопоставить адреса сетевых адаптеров (или интерфейсов), которые подключают устройства к сети. IPv6 обладает встроенной возможностью разрешать адреса на их самом низком уровне, который находится на уровне сетевого интерфейса, а также позволяет выполнять автоматическую настройку.

Текстовое представление

Ниже приведены три стандартные формы, которые используются для представления адресов IPv6 в виде текстовых строк:

Шестнадцатеричная форма двоеточия:

Это предпочтительная форма n:n:n:n:n:n:n:n. Каждый n представляет шестнадцатеричное значение одного из восьми 16-разрядных элементов адреса. Например: 3FFE:FFFF:7654:FEDA:1245:BA98:3210:4562.
Сжатые формы:

Из-за длины адреса часто используются адреса, содержащие длинную строку нулей. Чтобы упростить написание этих адресов, используйте сжатую форму, в которой одна последовательная последовательность из 0 блоков представлена символом двойной двоеточия (::). Этот символ может содержаться в адресе только один раз. Например, адрес многоадресной рассылки FFED:0:0:0:0:BA98:3210:4562 в сжатом виде выглядит как FFED::BA98:3210:4562. Адрес одноадресной рассылки 3FFE:FFFF:0:0:8:800:20C4:0 в сжатом виде выглядит как 3FFE:FFFF::8:800:20C4:0. Адрес обратного 0:0:0:0:0:0:0:1 цикла в сжатой форме.::1 Незаданный адрес 0:0:0:0:0:0:0:0 в сжатом виде выглядит как ::.
Смешанная форма:

Эта форма объединяет адреса IPv4 и IPv6. В этом случае формат адреса , n:n:n:n:n:n:d.d.d.dгде каждый n представляет шестнадцатеричные значения шести элементов IPv6 с высоким порядком 16-разрядных адресов, и каждый d представляет десятичное значение IPv4-адреса.

Типы адресов

Начальные биты в адресе определяют конкретный тип адреса IPv6. Поле переменной длины, содержащее эти начальные биты, называется префиксом формата (FP).

IPv6-адрес одноадресной рассылки состоит из двух частей. Первая часть содержит префикс адреса, а вторая часть — идентификатор интерфейса. Краткий способ сочетания IPv6-адреса и префикса выглядит следующим образом: ipv6-address/prefix-length.

Ниже приведен пример адреса с 64-разрядным префиксом.

3FFE:FFFF:0:CD30:0:0:0:0/64.

В этом примере префикс — 3FFE:FFFF:0:CD30. Адрес также может быть написан в сжатом виде, например 3FFE:FFFF:0:CD30::/64.

IPv6 определяет следующие типы адресов:

Одноадресный адрес:

Идентификатор для отдельного интерфейса. Пакет, отправленный на этот адрес, доставляется в определенный интерфейс. Адреса одноадресной рассылки отличаются от адресов многоадресной рассылки по значению октета более высокого разряда. Октет старшего порядка адресов многоадресной рассылки имеет шестнадцатеричное значение FF. Любое другое значение для этого октета определяет адрес одноадресной рассылки. Ниже приведены различные типы адресов одноадресной рассылки.
- Локальные адреса ссылки:
  
  Эти адреса используются в одной ссылке и имеют следующий формат: FE80::*InterfaceID* Адреса локального канала используются между узлами в канале для автонастройки адресов, обнаружения окружения или при отсутствии маршрутизаторов. Адрес локального канала используется главным образом во время запуска и в случае, когда система еще не получила адреса большей области.
- Локальные адреса сайта:
Эти адреса используются на одном сайте и имеют следующий формат: FEC0::*SubnetID*:*InterfaceID* Адреса локальных узлов используются для адресации внутри узла и не требуют глобального префикса.
- Глобальные адреса одноадресной рассылки IPv6:
Эти адреса можно использовать в Интернете и иметь следующий формат: *GlobalRoutingPrefix*::*SubnetID*:*InterfaceID*
Адрес многоадресной рассылки:

Идентификатор набора интерфейсов (обычно принадлежащих разным узлам). Пакет, отправленный на этот адрес, доставляется во все интерфейсы, определенные адресом. Типы адресов многоадресной рассылки заменяют IPv4-адреса широковещательной рассылки.
Адрес anycast:

Идентификатор набора интерфейсов (обычно принадлежащих разным узлам). Пакет, отправленный на этот адрес, доставляется только в один интерфейс, определенный адресом. Это ближайший интерфейс, определенный метриками маршрутизации. Адреса произвольной рассылки берутся из пространства адресов одноадресной рассылки и синтаксически не отличаются. Адресный интерфейс выполняет отличие адресов одноадресной рассылки от адресов произвольной рассылки в качестве функции его конфигурации.

Как правило, узел всегда имеет адрес локального канала. У него может быть адрес локального узла и один или несколько глобальных адресов.

Маршрутизация IPv6

Гибкий механизм маршрутизации является преимуществом IPv6. Из-за того, как были и выделены идентификаторы сети IPv4, большие таблицы маршрутизации должны поддерживаться маршрутизаторами, которые находятся в магистрали Интернета. Эти маршрутизаторы должны знать все маршруты для пересылки пакетов, которые потенциально направлены на любой узел в Интернете. Благодаря возможности объединения адресов IPv6 обеспечивает гибкую адресацию и существенно сокращает размер таблиц маршрутизации. В этой новой архитектуре адресации промежуточные маршрутизаторы должны отслеживать только локальную часть сети, чтобы перенаправить сообщения соответствующим образом.

Обнаружение соседей

Ниже перечислены некоторые функции, предоставляемые обнаружением соседей:

Обнаружение маршрутизатора. Это позволяет узлам определять локальные маршрутизаторы.
Разрешение адресов. Это позволяет узлам разрешать адрес уровня ссылок для соответствующего адреса следующего прыжка (замена протокола разрешения адресов [ARP]).
Автоматическая настройка адреса: это позволяет узлам автоматически настраивать локальные и глобальные адреса сайта.

Обнаружение соседей использует протокол сообщений управления Интернетом для сообщений IPv6 (ICMPv6), которые включают:

Объявление маршрутизатора: отправлено маршрутизатором на псевдо-периодической основе или в ответ на запрос маршрутизатора. Маршрутизаторы IPv6 используют объявления маршрутизаторов для сообщения о своей доступности, для указания префиксов адресов и других параметров.
Запрос маршрутизатора: отправляется узлом, чтобы запросить, что маршрутизаторы по ссылке немедленно отправляют объявление маршрутизатора.
Запрос соседа: отправляется узлами для разрешения адресов, обнаружения повторяющихся адресов или проверки того, что сосед по-прежнему доступен.
Объявление соседа: отправлено узлами, чтобы отвечать на запрос соседей или уведомлять соседей об изменении адреса слоя ссылок.
Перенаправление: отправлено маршрутизаторами, чтобы указать лучший адрес следующего прыжка в определенное место назначения для узла отправки.

Автоматическая настройка IPv6

Одна из важнейших целей IPv6 заключается в поддержке самонастраивающегося узла. То есть можно подключить узел к сети IPv6 и автоматически настроить его без вмешательства человека.

Типы автоматической конфигурации

Протокол IPv6 поддерживает следующие типы автоматической настройки:

Автоматическая настройка с отслеживанием состояния:

Для этого типа настройки необходим определенный уровень вмешательства человека, так как для установки и администрирования узлов требуется DHCPv6-сервер. DHCPv6-сервер хранит список узлов, для которых он предоставляет сведения о конфигурации. Он также хранит сведения о состоянии, поэтому серверу известна продолжительность использования каждого адреса и его доступность для переназначения.
Автоматическая настройка без отслеживания состояния:

Такая настройка подходит для небольших организаций и частных лиц. В этом случае каждый узел определяет свои адреса на основе содержимого полученных объявлений маршрутизатора. Используя стандарт IEEE EUI-64 для определения части сетевого идентификатора в адресе, разумно предположить уникальность адреса узла в канале.

Независимо от способа определения адреса узел должен проверить, что его потенциальный адрес является уникальным для локального канала. Для этого на потенциальный адрес отправляется запрос поиска соседей. Если узел получает какой-либо ответ, он знает, что адрес уже используется, и ему следует определить другой адрес.

Мобильность IPv6

В связи с распространением мобильных устройств появилось новое требование: устройство должно иметь возможность произвольным образом менять расположения на базе протокола IPv6 и при этом сохранять имеющиеся подключения. Для поддержки этой функции мобильному узлу присваивается домашний адрес, по которому его всегда можно найти. Если мобильный узел находится дома, он подключается к домашнему каналу и использует свой домашний адрес. Когда мобильный узел вдали от дома, домашний агент, который обычно является маршрутизатором, передает сообщения между мобильным узлом и узлами, с которыми он взаимодействует.

Отключение или включение IPv6

Чтобы использовать протокол IPv6, убедитесь, что он поддерживается вашей версией операционной системы, а также что операционная система и сетевые классы настроены должным образом.

Шаги настройки

В следующей таблице перечислены различные конфигурации

Включена IPv6-версия ОС?	Включен код IPv6?	Description
❌ Нет	❌ Нет	Можно анализировать IPv6-адреса.
❌ Нет	✔️ Да	Можно анализировать IPv6-адреса.
✔️ Да	❌ Нет	Можно анализировать IPv6-адреса и разрешать их, используя методы разрешения имен, не помеченные как устаревшие.
✔️ Да	✔️ Да	Можно анализировать и разрешать IPv6-адреса, используя все методы, в том числе и помеченные как устаревшие.

Протокол IPv6 включен по умолчанию. Чтобы настроить этот параметр в переменной среды, используйте DOTNET_SYSTEM_NET_DISABLEIPV6 переменную среды. Дополнительные сведения см . в разделе переменных среды .NET: DOTNET_SYSTEM_NET_DISABLEIPV6.