IPv6地址應用研究

陳仲華，沈成彬

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海200122）

1 引言

隨著Internet技術的廣泛應用，作為其基礎的IPv4地址資源日漸匱乏，全球IPv4地址分布的不均衡性加重了地址需求的矛盾，使部分地區的IPv4地址提前出現短缺的局面。近期新興的物聯網應用又增加了對IP地址的需求，這更加速了IPv4地址的消耗。雖然目前IPv4技術領域出現了諸如運營商NAT、RSIP等技術，改善了目前IPv4公網地址短缺的現狀，但這些技術沒有從根本上解決地址短缺的問題，同時此類技術的使用又引入了NAT穿透等眾多問題，有較大的局限性。因此，部署基于IPv6技術的下一代互聯網成為徹底改變IP地址短缺情況的唯一技術手段。IPv6具有海量地址空間，可以滿足未來互聯網發展和新興物聯網發展的需要，但IPv6是一項與IPv4技術完全不同的技術，其地址結構、定義、地址分配方式與IPv4地址完全不同，從IPv4地址的應用和管理到IPv6地址的應用和管理還有許多問題需要研究。

2 IPv6地址格式簡析

IPv6地址分為單播地址、多播地址和任播地址。

（1）單播地址

大家所熟悉的IPv4地址是采用點分十進制數的形式表示的，即D.D.D.D，其中D為不大于255的正整數，例如192.168.10.1，這樣IPv4就擁有超過40億個地址。

與IPv4地址組成形式不同，IPv6地址采用冒號分割8個4位十六進制數，即X：X：X：X：X：X：X：X，其中X表示一個4位的十六進制數，例如：2001：000C：0000：0000：0022：FAFF：FE8E：8072。

圖1 根據主機物理地址生成接口地址方式

與IPv4地址分為網絡號（子網號）和主機號的思想類似，IPv6地址也可以分為兩部分，即地址前綴和接口地址。在實際應用中，IPv6地址的前綴由于要參與路由，通常由網絡決定。而IPv6地址的后綴則有多種生成方式。

最常用的一種生成方式是根據主機設備的物理層地址生成，稱為EUI-64算法。其過程如圖1所示。

主機自身的MAC地址分為兩部分，即設備廠商標識和設備標識，在生成IPv6接口地址時，主機將廠商標識和設備標識分開，并在中間插入FFFE，同時物理地址的第一字節的右邊第二位如果為0，則將該位變為1，這樣就構成了主機IPv6接口地址，這樣的接口地址可以簡化IPv6和物理地址的映射關系，使鏈路層的通信更加方便。

另一種接口地址采用IPv4地址嵌入的方式生成，其接口地址格式為：X：X：X：X：D.D.D.D。其中X為4位十六進制數，D為小于255的十進制數，X可以隨機生成，而D則根據主機當前使用的IPv4地址直接生成。這種地址嵌入了主機當前的IPv4地址，有利于實現IPv4與IPv6的兼容。

此外，IPv6接口地址還可以通過各種隨機方式生成，但無論采用何種方式，生成的IPv6地址都必須經過地址沖突檢測，才能夠正式在網絡上使用，以防止在同一子網絡內產生地址沖突。

從目前業內的設備支持情況看，對于單播地址中接口地址的生成方式，一般都會采用EUI-64的算法，生成接口地址。由于這一算法的廣泛部署（幾乎所有的操作系統都支持這種算法生成接口地址），IPv6地址從本質上來將被人為地分成了前64 bit和64 bit兩個部分。從網絡側地址管理的角度來看，IPv6地址的管理實際上已經演變成為對IPv6地址前綴的管理。

圖2 IPv6多播地址格式

（2）多播地址

在IPv6中多播取代了IPv4中的廣播功能，IPv6多播地址的劃分比IPv4更嚴格，同時對于多播功能的支持也更完善。IPv6多播地址的格式如圖2所示。

多播地址以FF開頭，之后的4個比特位為標志位，再之后的4個比特位標識多播的有效范圍，其后的112 bit標識多播組的ID。標志位的主要功能是表示該多播是否為一個全球公開的多播組，同時還提供了不同多播域之間進行信息交互的標志。范圍標識表示該多播組的有效范圍是本地鏈路，還是一個預先設定的管理域，抑或是全球范圍。多播組編號則表示了這個多播組的身份，有需要的節點可以通過組編號加入這個多播組中。

IPv6多播的應用程度遠勝于IPv4多播，在IPv6協議族中，并不存在類似于IPv4中的ARP/RARP一類的二層地址解析協議以及ARP/RARP以來的廣播方式。取而代之的是，在IPv6網絡中二層地址的解析依賴于IPv6的多播。例如，一臺IPv6主機需要查詢本地網絡中是否已經有主機使用與其相同的IPv6地址時，它將通過多播地址FF02::2發送這個請求。

（3）任播地址

任播地址可以看作一組特殊的單播地址，它分配給一系列的節點，在轉發去往該地址的數據時，路由器將根據這些節點的路由距離大小轉發到其中的一個最佳節點，從而完成負載均衡、節點冗余等功能。

3 IPv6地址的分配方式

在IPv6技術的實際使用中，由于IPv6擁有海量地址空間，分配和管理這一海量地址空間的難度要遠遠大于IPv4的地址管理難度。因此，根據實際使用的需要出現了一些新的地址分配方式。目前IPv6技術中有3種主流的地址分配方式，可以適應不同應用場合的需要。

圖3 無狀態地址分配過程

（1）無狀態地址分配

無狀態地址分配（NDRA）是IPv6中特有的地址分配方式，其基本思想是網絡側不管理IPv6地址的狀態，包括節點應該使用什么樣的地址、地址的有效期有多長，且基本不參與地址的分配過程。其具體的分配過程如圖3所示。

節點設備連接到網絡中后，將自動選擇接口地址（通過算法生成IPv6地址的后64 bit），并加上FE80的前綴地址，作為節點的本地鏈路地址，本地鏈路地址只在節點與鄰居之間的通信有效，路由器設備將不路由以該地址為源地址的數據分組。在生成本地鏈路地址后，節點將進行DAD（地址沖突檢測），檢測該接口地址是否有鄰居節點已經使用，如果節點發現地址沖突，則無狀態地址分配過程將終止，節點將等待手工配置IPv6地址。如果在檢測定時器超時后仍沒有發現地址沖突，則節點認為該接口地址可以使用，此時終端將發送路由期前綴通告請求，尋找網絡中的路由設備，當網絡中配置的路由設備接收到該請求，則將發送地址前綴通告響應，將節點應該配置的IPv6地址前64 bit的地址前綴通告給網絡節點，網絡節點將地址前綴與接口地址組合，構成節點自身的全球IPv6地址。

無狀態地址分配是一種簡化IPv6海量地址分配復雜程度的技術，通過使用該技術可以做到節點連接網絡的即插即用。在實際應用中接口地址的生成可以由多種算法生成。同時，也可以由網絡側根據接入節點的身份認證信息為節點指定固定的接口地址。

（2）有狀態地址分配

有狀態的地址分配（DHCPv6）技術，類似于IPv4時的DHCPv4技術，節點接入網絡后將發起地址請求的多播，網絡中的DHCP服務器接收到該多播后，為節點動態分配IPv6的地址。同時，DHCP服務器需要管理節點IPv6地址的使用有效期。與DHCPv4類似，DHCPv6協議也可以攜帶節點身份認證的選項參數，根據節點身份的認證結果為節點分配指定的IPv6地址。

（3）基于地址前綴代理的分配

基于地址前綴代理的分配（DHCP-PD）方式是一種層次化分配IPv6地址的方式。該方式允許網絡中的網關設備將IPv6地址的前綴以層次化的方式分配給下一級的接入網關設備，其過程如圖4所示。

圖4 DHCP PD地址分配過程

以圖4為例，網絡接入設備（可以是接入路由器或BRAS設備）收到用戶側網關設備發起的攜帶有前綴代理選項的DHCP請求時，將下發一個攜帶56 bit前綴地址長度的DHCP響應分組，通知用戶側網關網絡已將該56 bit地址前綴批發給用戶網關。用戶網關在獲得該56 bit地址前綴之后可以自主選擇為終端分配該網絡內的任意64 bit的子網絡號作為終端的前綴地址，并通過無狀態地址分配的方式分配給終端使用。也可以選擇將這56 bit的地址前綴再分割成小于64 bit的前綴地址長度，以DHCP-PD方式批發給下一級網關使用。

4 幾種地址分配方式的比較

在IPv6網絡中，地址的分配和管理難度要遠大于IPv4網絡，這不僅由于IPv6龐大的地址空間，使得網絡側如果直接維護所有地址狀態（類似于DHCPv4方式），將給網絡側的地址分配和管理系統造成巨大的性能壓力，同時也是因為IPv6技術本身更關注于地址的移動性。因此，從3種地址分配的方式看，各有其優點和劣勢。

（1）無狀態地址分配方式

其優點在于網絡側只需要管理地址前綴的分配，網絡側自動將網絡前綴的分配情況通過RA（router advertisment，路由器通告）告知終端，終端獲得地址前綴之后，就能夠根據自身算法獲得全局唯一的IPv6地址，網絡側由于不需要管理終端地址，因此其地址分配和管理的性能壓力幾乎沒有。同時，無狀態地址分配方式特別適合移動網絡場景，當終端在不同基站和業務接入點設備間移動時，只需要接收路由設備的RA報文，即可以更換自身的IPv6地址，以滿足報文路由的需要。

（2）DHCPv6地址分配方式

DHCPv6地址分配方式沿用原有IPv4網絡的DHCPv4地址分配方式，這一分配方式采用與原有DHCPv4一樣的C/S協議架構，因此雖然協議報文結構與DHCPv4差異較大，但是DHCPv6在實際部署中，仍然具有很好的兼容性。同時，DHCPv6協議在功能上也較DHCPv4協議有所提升，例如DHCPv6協議可以由網絡側DHCP服務器主動要求終端釋放地址，而不像DHCPv4協議，網絡側只能夠等待終端地址租期到期，才能夠通過續租失敗來迫使終端釋放地址，這個功能目前看來，IPoE接入場景下，對于IP地址的管控有著很明顯的優勢。但是，由于DHCPv6需要在網絡側對地址進行集中的管理，包括地址使用的有效期檢測等，因此對于管理系統的性能將造成壓力，因此在一個大規模的網絡中完全依賴DHCPv6方式進行地址的分配和管理，存在一定的風險。

（3）DHCP-PD方式

DHCP-PD方式是IPv6網絡中特有的地址分配方式，其本意是為了減少網絡側地址管理的壓力，而引入的地址分層管理和地址批租機制。就地址分配協議本身看，DHCP-PD完全采用DHCPv6的協議格式，并通過DHCPv6的Option擴展支持地址的分層管理。因此，DHCP-PD同樣具有較好的兼容性。同時，由于引入了批租機制，地址可以成段地分配到最低層次的網絡中，使得在固定接入方式下，為每個終端分配一個IPv6地址成為可能。但是，DHCP-PD的地址分配機制對于地址管理的層次性有著很高的要求，下一級地址完全取自上一級地址段范圍，使得這種地址分配方式只能適合有較好規劃，且網絡組織基本固定的網絡架構，不太適合網絡結構變化頻繁或有較高移動性要求的網絡。最后，由于DHCP-PD是一種網絡地址前綴的分配方式，對于最終終端的地址，DHCP-PD還是要結合DHCPv6或者無狀態地址分配為終端進行地址的分配。

5 IPv6地址管理思路

由于上述IPv6地址分配方式的優缺點不同，因此需要針對IPv6網絡場景的不同進行地址分配和管理方式的設計，才能夠滿足地址分配管理的要求。

首先，對于傳統PPPoE方式的固定接入網絡，在網絡支持IPv6之后，初期從兼容性方面考慮，可以沿用DHCP地址分配方式，在不改變網絡基本架構的前提下，在BRAS設備上開啟DHCPv6的服務，為終端分配IPv6地址。在IPv6終端數量增長到一定程度，網絡側管理地址遇到性能瓶頸時，啟用DHCP-PD將地址段批租到低一層次的接入設備（如家庭網關）上進行管理，以減輕網絡側的壓力，同時在終端網絡內部仍舊可以采用DHCPv6方式給終端分配IPv6地址。這一方式同樣適合采用IPoE方式接入的網絡，例如WLAN和IPTV網絡。

其次，在移動網場景中，由于終端存在較強的移動性，采用無狀態地址分配方式將會是一種較好的選擇。當終端移動到一個新的網絡中時，接收這個網絡中的路由器通告的IPv6地址前綴，同時結合終端自身生成的接口地址，就能夠使終端配置一個有效的IPv6地址。當終端從當前網絡中移走，并進入下一個新網絡時，由于終端接收到的路由器地址通告發生了改變，因此終端可以知道自身所處的網絡發生了改變，從而觸發終端更新其自身的IPv6地址。此外，由于終端可能同時接收到兩個網絡的路由器通告，因此，終端也可能同時接入到兩個網絡，并實現負載均衡的功能。

最后，對于一些物聯網IPv6接入場景，由于終端運算能力有限，代碼存儲能力也有限，不可能要求終端支持完整的IPv6協議和DHCPv6協議棧，在終端層面采用無狀態地址分配方式是一種較好的選擇。在這樣的網絡中，物聯網網關設備可以通過DHCPv6/DHCP-PD協議獲取一個或一段IPv6地址，并采用無狀態地址分配方式向物聯網內部宣告這一地址前綴，終端節點在獲得前綴之后能夠通過簡單算法就能生成自身有效的IPv6地址，實現對外通信。

6 結束語

在引入IPv6時，首先遇到的問題就是IP地址格式的改變和地址分配方式的變化，這些改變給傳統的IP地址的管理提出了一些新的需求。基于這些新的需求，目前相關技術組織已經研發了多種不同的地址分配方式，但是這些方式沒有哪一種可以單獨滿足IPv6地址分配和管理的方方面面的要求，也沒有哪一種可以單獨滿足所有IPv6部署場景。因此，對于IPv6地址的分配和管理，必須采用多種技術相結合的方式，分網絡場景采用不同的組合，才能滿足實際網絡的各種要求。

1 RFC4862.IPv6 Stateless Address Autoconfiguration,2007

2 RFC4291.IP Version 6 Addressing Architecture,1998

3 RFC3633.IPv6 Prefix Options for Dynamic Host Configuration Protocol(DHCP)Version 6,2003