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TCP/IP 協定與 Internet 網路：第五章 網際層協定 上一頁 下一頁
翻轉工作室：粘添壽
5-6 IPv6 協定
自從 1990 年網際網路風行之後，網路專家們漸漸感覺到所使用的 IP（IPv4，Version 4）通訊協定已不敷使用。尤其隨著應用層次的提高，IP 網路不再只須提供檔案傳送及遠端登入等簡單的應用，更必須進一步處理有關資料庫系統的查詢與更新，也進入電子商務的應用。因此，有必要再發展出功能更完整的通訊系統，『IPv6』（IP Version 6）就在這迫切需求之下被發展出來。首先，我們用下列幾點來介紹 IPv6 如何彌補 IPv4 的不足：
(A) IPv6 提供更寬廣的 IP 定址空間
IPv4 用 32 位元（4 個位元組）來表示 IP 位址空間，已漸不能滿足目前網際網路上主機電腦連結的成長。IPv6 提供 128 位元（16 個位元組） 的空間來表示 IP 位址。
(B) IPv6 提供認證服務
一般 IP 封包在傳送過程中，每經過一個中途路由器就必須被拆裝和重新包裝，又要經過許多不可預測的路由器（無法事先預估），而且為了要使封包能順利到達目的地，在封包上又無法做太多的保護措施。正因如此，任何有心人士，皆可輕而易舉在網路上窺視他人資料，甚至竄改它，使傳送的訊息失去正確性。尤其在企業內的區域網路連接更為困擾，早期，跨區域的區域網路連接都透過專線，但為了節省費用及符合出差人員方便連線，目前都希望能直接透過網際網路連線，如『虛擬私人網路』（Virtual Private Network, VPN）。雖然目前有許多技術可以克服，譬如，使用『通道技術』（Tunneling Technique）來保護資料在 IP 網路上不被偷竊，但這類技術大多必須利用上一層通訊協（TCP）定來完成，而且並非每一部路由器都提供到上一層的服務（一般路由器只提供到 IP 層服務）。IPv6 提供認證的功能，未經認證通過的連線， IPv6 路由器將不給予轉送或拆封，以保證資料的隱密性，也不需要透過上層協定的處理。
(C) IPv6 提供流量標籤（Flow Label）
一般 IPv4 網路上，封包經過中途路由器，路由器只負責將封包轉送到適當的路徑上，並未做任何的紀錄。在 IPv6 網路上，每一個封包提供一個流量標籤，同一筆資料串列給予相同的標籤號碼，因此可以做流量控制及統計。
(D) IPv6 提供傳輸流量等級（Traffic Class）的分類
雖然在 IPv4 封包上有提供 ToS（Type of Service），但有關 QoS（Quality of Service）的服務都由上層通訊軟體所提供，ToS 幾乎沒有發揮功能。IPv6 提供傳輸流量等級的分類，再配合流量標籤使用，就可以依照每一個封包的服務性質，給於路徑選擇的優先次序及適合路徑，便可達到 QoS 的需求。
(E) IPv6 減少封包分段（Fragmentation）的機率
在 IPv4 的協定裡，每個封包大小並未嚴格限制，當封包經由不同網路存取層（Network Access Layer, NAL）時，會將封包分割成不同區段，並給予相同的分段號碼（Fragment Number），好讓對方接收到後，依照相同的分段號碼，再組合回原來封包（向上/向下多功能）。但在一序列的封包可能經由不同的 NAL 傳輸，其中有任一封包沒有到達目的，則將使整串列資料失效，導致必須全部重傳。因此，在 IPv6 協定裡只允許傳送中的起始和終點可以做分割和組合，減少中途路由器的分割動作，不但可以減少中途路由器的負擔，對傳輸效率也較高。
(F) IPv6 簡化封包標頭
不像 IPv4 的標頭裡存放太多欄位，IPv6 捨棄不必要的欄位，作較有效率的處理。
5-6-1 IPv6 封包格式
圖 5-47 為 IPv6 的封包格式，各欄位功能如下：
● 版本（Version）：表示本封包的 IP 版本，如 IPv6 的值為 6。
● 交通流量等級（Traffic Class）：標示該封包的流量等級，等級愈高者優先轉送。可區分為 16 個等級，0 ~ 7 可以提供回應壅塞（如 TCP），8 ~ 15 則不提供回應壅塞（如壅塞時便拋棄該封包）。等級 0 ~ 7 所提供之服務如下：
0：非結構化交通流量（Uncharacterized traffic）
1：填滿型交通流量（Filler traffic）
2：未處理資料傳送（Unattended data transfer）
3：保留（Reserved）
4：經處理區塊傳送（Attended bulk transfer）
5：保留（Reserved）
6：交談式交通流量（Interactive traffic）
7：網路間控制交通流量（Internet control traffic）
● 流量標籤（Flow Label）：同一筆資料給予相同的標籤，可作為流量控制。
● 承載長度（Payload Length）：本封包所承載資料的長度。表示承載其他通訊軟體（TCP 或 UDP 等封包）的長度。
● 下一標頭（Next Header）：此欄位類似 IPv4 的 Protocol 欄位，表示本封包所承載的標頭型態，如 TCP 或 UDP 等等。
● 跳躍次數（Hop Limit）：類似 IPv4 上的 TTL 欄位，每經過一個路由器其值就被減一，如路由器發現該值為一時，便將封包丟棄。在 IPv6 的封包標頭上沒有 Checksum 檢查，因此，路由器計算跳躍值後不用再重新計算 Checksum。
● 來源位址（Source Address）：以 128 個位元（16 個位元組）表示。
● 目的位址（Destination Address）：以 128 個位元（16 個位元組）表示。
圖 5-47 IPv6 封包格式
5-6-2 IPv6 位址格式
IPv6 用 128 位元（16 個位元組）來表示位址，比 IPv4 增加許多，對於它的表示方法也較複雜。IPv4 只將位址區分為兩個部份：網路號碼和主機號碼，但 IPv6 就有更多型態的區分。首先我們來看如何表示這 128 位元，將其分成 8 組位置，每組 16個位元又區分為 4 個字元，每個字元（4 個位元）以 16 進位法表示。如下面格式：
X:X:X:X:X:X:X:X
例如：A2E5:56EF:906B:4590:12EC:D532:7812:0001
在 IPv6 位址表示中常有許多組為 0 的情形，為了簡化組內數值都為 0 時，以「：：」來表示，例如：
0:0:0:0:0:0:0:1→ ::1 為 loop back 位址
0:0:0:0:0:0:0:0 → :: 為未指定位址
緊接著，我們來看 IPv6 的位址型態。在 IPv4 協定之下，將主機位址都設定為 1 時，表示針對這個網路號碼之下的所有主機廣播。但廣播封包容易造成風暴，嚴重影響網路效能。IPv6 不再使用這任意廣播的方式，而是使用『所有節點』的多點廣播位址。多重節點廣播並非所有節點都會處理廣播訊息，而是有關聯的節點才會處理，如此就可以減低所有節點對廣播訊息的處理。IPv6 將位址型態區分為下列三種：
● 單一廣播位址（Unicast Address）
● 任一廣播位址（Anycast Address）
● 多點廣播位址（Multicast Address）
以下分別介紹各種型態，對於 IPv6 前置位址以『prefix/prefix-length』表示之，例如： 2000::/3 表示該 IPv6 位址的前置碼長度為 3，第一組字元為（0010），其餘皆為 0。
(A) 單一廣播位址（Unicast Address）
單一廣播型態如同 IPv4 一樣，對每一個主機而言，都有一個獨一無二的位址，但 IPv6 採用 64 位元的介面位址，取代 IPv4 的主機位址。IPv6 期望如同 48 位元之 Ethernet 位址一樣可崁入硬體介面上。單一廣播可區分為四種位址型態：
(a) 可集合式整體位址（Aggregatable Global Address）
(b) 地區本地位址（Site-Local Address）
(c) 鏈路本地位址（Link-Local Address）
(d) IPv4 相容（IPv4-Compatible）之位址格式
以下分別介紹各位址格式之特性：
(1) 可集合式整體位址（Aggregatable Global Address）
一般主機或網路設備都可被指定一個或一個以上以上的整體位址（Global Address），以便與其他電腦設備區分。它的位址格式如圖 5-48 所示，我們將 128 位址區分為三個部份，第一部份（Provider）表示網路連接的供應者，指一般的 ISP 位址；第二部分為區域，讓使用者自行區分網路，也就是一般所言的次網路；第三部份為主機，計有 64 位元，也希望類似 Ethernet 位址使用方法。各欄位功能如下：
圖 5-48 可集合式整體位址格式
○ 固定前置碼（Fixed Prefix, FP）：以 001 表示 IPv6 的可集合式整體位址格式，對整個位址表示為 2000::/3。
○ 最上層集合碼（Top-Level Aggregator, TLA）：讓網路提供者做最上層的區分，類似電話號碼的國家碼區分法。
○ 保留（Reserve, Res）：保留未使用。
○ 下一層集合碼（Next-Level Aggregator, NLA）：第二層次的集合碼，類似電話號碼的區域碼。它可以再區分若干個區域碼組合而成。
○ 地區層次集合碼（Site-Level Aggregator, SLA）：讓使用者環境區分集合碼，如 IPv4 的次網路（Subnet）位址碼。
○ 介面識別碼（Interface ID）：64 位元的主機位址。
(2) 地區本地位址（Site-Local Address）
在某個區域裡自行構成網路就可以使用 IPv6 的地區本地定址格式，對於該地區內所用的位址格式不同於整體位址（Global Address）（類似 IPX 定址），IP 路由器不會將該類封包轉送出去，只在地區內廣播。至於需要轉送到地區外，則必須使用整體位址，它的位址格式如圖 5-49 所示。其固定前置碼為 FEC0::/10，並允許地區內再劃分多個小地區，因此有 Subnet-ID 欄位來表示次地區的編碼。Interface-ID 也是 64 位元組來表示（但 IPv6 對 IPX 及 NASP 有另外定義位址）。
圖 5-49 地區本地位址格式
(3) 鏈路本地位址（Link-Local Address）
如同地區本地位址的特性一樣，但鏈路本地位址是指在每一鏈路上而非地區，因此無法再區分次區域。鏈路本地位址可被自動規劃於任何網路介面上，並用來發現鄰近端點的協定或無狀態轉換的自動規劃使用。任何端點在本地網路上可用該位址互相通訊。路由器也不會將該類封包轉送出去，它的封包格式如圖 5-50 所示，其前置碼為 FE80::/10。
圖 5-50 鏈路本地位址格式
(4) IPv4 相容（IPv4-Compatible）之位址格式
依目前 IPv4 的網路要轉換到 IPv6，可能需要一段長的時間，不僅封包格式需要修改，通訊協定也必須更新。因此，首先讓兩種協定能夠相容，再漸進式慢慢更新。IPv4 有 32 位元位置格式，IPv6 有 128 位元，其中介面位址為 64 位元，我們可將 IPv4 的 32 位元置入 64 位元的介面位址，所剩之位元皆放 0，如圖 5-51 所示。
圖 5-51 IPv4 相容之 IPv6 格式
(5) 任一廣播位址（Anycast Address）
在任一廣播位址型態下，一個位址可屬於多個介面共同使用，這些介面也允許在不同的端點上，當廣播任一廣播位址時，同一位址的介面都可收到。一般最常用是在路由器之間的廣播，不屬於該位址的網路設備就不用去拆裝封包，因此較 IPv4 的廣播方式更節省頻寬。圖 5-52 為次網路之路由器（Subnet router）的任一廣播位址格式，它是由可伸縮的前置碼（Prefix）欄位來代表次網路的位址。
圖 5-52 次網路路由器任一廣播位址格式
(6) 多點廣播位址（Multicast Address）
多點廣播可以指定較多的位址，可以針對若干個端點廣播，不像任一廣播只針對一個端點廣播。如採用多點廣播位址型式，IPv6 可向一組介面位址廣播，而每一個介面位址可以在不同的端點上。位址格式如圖 5-53 所示，它的前置碼為FF00::/8；Lifetime 欄位表示該包產生的時機，其中 "0" 表示該位址為永久式（Permanent Unicast Address）；"1" 表示該位址為暫時性的（Temporary Unicast Address），使用後便不存在。另 Scope 欄位表示位址型態："1" 表示端點位址（Node Address）；"2" 表示鏈路（Link）位址；"5" 表示地區（Site）；"8" 表示組織（Organization）；"E" 表示整體（Global）位址。但在 IPv6 規格裡有一些特殊的多點廣播位址如下：
● FF02:0:0:0:0:0:0:1 為所有端點的多點廣播群組（All-node multicast group）。
● FF02:0:0:0:0:1:FF00:0000/104 為徵求端點的多點廣播群組（Solicited-node multicast group）。
● FF02:0:0:0:0:0:0:2 為所有路由器多點廣播群組（All-node multicast address），所有路由器都必須加入。
圖 5-53 多點廣播位址格式
5-6-3 ICMPv6 協定
如同 IPv4 上的 ICMP 一樣，ICMPv6 （Internet Control Message Protocol version 6）是用來測試或回報 IPv6 網路訊息，也是包裝在 IPv6 封包內（Next header = 58）。例如，某一路由器由於某種原因無法處理 IPv6 封包時，便發送該原因類別的 ICMPv6 給原始發送封包者，再由它做適當的處理。而其封包型態也如同 IPv4 包含終點無法到達、封包太大、時間超過、參數問題、回聲要求、以及回聲回應等。其封包格式也如同 ICMPv4（如圖 5-28）。