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「干貨」IPv4 到 IPv6 過渡的這些知識點,你一定得知道

 回家的夢想 2019-11-21

前言

網(wǎng)絡(luò)是我們工程師的基礎(chǔ)技能之一, 畢竟沒有網(wǎng)絡(luò)我們什么也干不了。從各大公司的招聘要求上看,網(wǎng)絡(luò)也是重點的考核部分。

理解網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計大佬們想出了分層的設(shè)計,將各個功能分開,交付給不同的層,這樣的好處是便于更新和維護(IPv6的到來并沒有使整個網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計),也便于我們的學(xué)習(xí)和理解。

下面是各個版本的網(wǎng)絡(luò)體系的結(jié)構(gòu)圖:

「干貨」IPv4 到 IPv6 過渡的這些知識點,你一定得知道

讓我們明確下各層的工作職責(zé)(以五層協(xié)議為例):

  • 應(yīng)用層,該層協(xié)議主要負責(zé)各個應(yīng)用程序之間交互的規(guī)則。如HTTP,DNS,其交互的數(shù)據(jù)單元可以稱為”報文”
  • 運輸層,為應(yīng)用層提供通用的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。為上層跑腿的,TCP,UDP均是運輸層協(xié)議
  • 網(wǎng)絡(luò)層,為網(wǎng)絡(luò)中不同的主機提供通信服務(wù)。IP協(xié)議工作在該層
  • 數(shù)據(jù)鏈路層,負責(zé)相鄰兩點的數(shù)據(jù)傳送
  • 物理層,傳輸比特流, 0 或 1,每一層將數(shù)據(jù)封裝成自己能理解的數(shù)據(jù)格式交付給下一層,下一層將收到的作為自己的數(shù)據(jù)再次添加本層的必要數(shù)據(jù)向下交付,直到鏈路層,傳遞到目的地后,每層再將該層的必要數(shù)據(jù)去掉,交付給上層。

如下圖:

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理解IP協(xié)議

在理解了網(wǎng)絡(luò)模型和各層直接的配合之后,下面進入今天的正題,網(wǎng)際協(xié)議(IP)。

該節(jié)主要理解IP協(xié)議給我們提供的功能有哪些,說白了就是它能干嘛。

  • 為網(wǎng)絡(luò)中的主機(PC或路由或網(wǎng)關(guān))提供身份證
  • 定義了網(wǎng)絡(luò)主機的基本交流方式,從IP數(shù)據(jù)報的格式可以看出
  • 為路由尋址提供方便,從路由表結(jié)構(gòu)可以看出。

任何一個協(xié)議都可以由語法,語義和同步三部分組成。

  • 語法,交換信息的格式,對于IP協(xié)議,就是IP報文的格式
  • 語義,即需要發(fā)出何種控制信息,以及接收到信息后如何響應(yīng)
  • 同步,對事件順序的詳細說明

也就是定義了使用IP協(xié)議進行交流的法則。

IPv4

IPv4是IP協(xié)議的第4個版本,就是我們現(xiàn)在使用的。下面從多個方面了解下該版本。

IP地址

網(wǎng)絡(luò)上的主機都需要一個IP地址,這樣才能知道彼此的位置。IPv4地址由32bit構(gòu)成,常使用點分十進制表示(192.168.1.1)。

分類

IP地址的分類就是把所有IP劃分為若干類別,每一類都由固定長度的字段組成。分別為網(wǎng)絡(luò)號和主機號。

下面是各類地址組成示意圖:

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  • A類地址,8位網(wǎng)絡(luò)號,第一位固定為0。可用的網(wǎng)絡(luò)號只有126個(2^7-2),網(wǎng)絡(luò)號從0到127。減去2是因為IP地址全為0表示”本網(wǎng)絡(luò)”保留;網(wǎng)絡(luò)號為127作為軟件回環(huán)測試使用,若主機發(fā)出目的地為127.0.0.1的數(shù)據(jù)時,該數(shù)據(jù)不會向任何網(wǎng)絡(luò)上的主機發(fā)送。也就是說127開頭的地址不能使用。對于A類地址中的每一個網(wǎng)絡(luò)號,對應(yīng)的主機號有(2^24-2)個,主機號全0表示,其網(wǎng)絡(luò)號對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址,全1表示所有主機的意思。
  • B類地址網(wǎng)絡(luò)號為16位,但前面2位以固定為1 0。無論怎么取值,無法出現(xiàn)全0或全1的情況。128.0.0.0的網(wǎng)絡(luò)是不使用的,實際使用的最小B類網(wǎng)絡(luò)地址為128.1.0.0.所以B類的網(wǎng)絡(luò)地址有(2^14-1)個。
  • C類的地址有24位的網(wǎng)絡(luò)號,最前面的3位固定為1 1 0.192.0.0.0的網(wǎng)絡(luò)地址也是不使用的,最小的C類地址為192.0.1.0 。

總結(jié)如下:

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分類的好處:

  • 方便管理,IP地址管理機構(gòu)只需管理網(wǎng)絡(luò)號,剩下的可以由下級管理。
  • 路由尋址時根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)發(fā)分組,減小路由表。

數(shù)據(jù)報格式

先看下IP數(shù)據(jù)報的基本格式:

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可以看到IP數(shù)據(jù)報包含了首部和數(shù)據(jù)部分。其中首部包含固定的20字節(jié)和可變的部分。

下面是各部分的解釋:

  • 版本,占4位,IP協(xié)議的版本號,通信雙方需要相同
  • 首部長度,占4位,單位4字節(jié)。最大能表示(2^4-1) * 4 = 60字節(jié)。當(dāng)IP分組的首部長度不是4的整數(shù)倍時,需要使用填充字段填充
  • 區(qū)分服務(wù),占8位,表示服務(wù)類型未使用;
  • 總長度,占16位,表示首部和數(shù)據(jù)部分的總長度(單位字節(jié))。因此數(shù)據(jù)報的最大總長度為(2^16-1 = 65535)字節(jié)
  • 標(biāo)識(identification),占16位,當(dāng)數(shù)據(jù)報長度超過下層的MTU時,需要分片, 被分片的數(shù)據(jù)報的標(biāo)識一樣,這樣可以進行重組
  • 標(biāo)志(Flag), 占3位,目前只有2位有意義
    • 最低位,MF(More Fragment) = 1 表示后面還有分片。MF = 0 表示分片中的最后一個
    • 中間一位,DF(Don’t Fragment),不要分片,只有當(dāng)DF=0才允許分片
  • 片偏移, 占13位,較長的分組在分片后,某片在原分組的相對位置必須是8字節(jié)的整數(shù)倍。
  • 生存時間,占8位,Time To Live(TTL),開始指生存的秒數(shù),后來變?yōu)榻?jīng)過路由的跳數(shù),每經(jīng)過一個路由TTL減小1,當(dāng)為0時丟棄該數(shù)據(jù)。顯然最大跳數(shù)為255,為1時就只能在局域網(wǎng)中傳播了。
  • 協(xié)議, 占8位,支出該數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)是使用何種協(xié)議, 以便目的主機IP層知道將數(shù)據(jù)交付給哪個協(xié)議處理。

常用的協(xié)議及對應(yīng)數(shù)值:

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  • 首部校驗和, 占16位,數(shù)據(jù)報的首部校驗和,不包括數(shù)據(jù)部分
  • 源地址, 目的地址, 各占32位。

IPV6

IPv6的出現(xiàn)是解決IPv4資源枯竭的問題。其仍然支持無連接的傳送,但傳送的是PDU分組,而不是IPv4的數(shù)據(jù)報。

IP地址

IPv6的地址是128bit,在可預(yù)見的未來是夠用的。但和IPv4版本并不兼容, 若使用IPv4版本的主機A和使用IPv6版本的主機B之間通信是需要特殊處理的,在后面會介紹方法。

IPv6的地址表示

IPv6的地址采用冒號十六進制記法 , 8組4個16進制數(shù)字,中間使用冒號隔開。

例如:

6845:8C64:FFFF:FFFF:0:1180:9000:FFFF

  • 若一組中全是0,可以省略三個
  • 若存在連續(xù)多組0,可以使用冒號取代,但只能壓縮一次 FF05:0:0:0:0:0:0:B3 可以壓縮為 FF05::B3 1090:0:0:0:8:800:200C:417A 可以壓縮為 1090::8:800:200C:417A 全零可記為 ::
  • 最后的2組可以使用IPv4的點分十進制表示 0:0:0:0:0:0:128.10.2.1 可表示為 ::128.10.2.1 。

數(shù)據(jù)報格式

IPv6數(shù)據(jù)報由兩大部分組成,基本首部和有效載荷。有效載荷運行有0個或多個擴展首部。

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可以看到IPv6的首部是固定的40字節(jié),和IPv4不同;在組成上也有很大區(qū)別,下面看下各部分的意思。

  • 版本,占4位,協(xié)議的版本通信雙方需要相同
  • 通信量類,占8位,區(qū)分不同的IPv6的數(shù)據(jù)報或優(yōu)先級
  • 流標(biāo)號,占20位,IPv6一個新機制就是支持資源預(yù)分配,運行路由把每個數(shù)據(jù)報與特定的資源分配和聯(lián)系。IPv6提出流的概念指互聯(lián)網(wǎng)上從特定源點到特定終點的一系列數(shù)據(jù)報(如實時的音頻或視頻傳輸),在這個流經(jīng)過的路徑上路由都保證指明的服務(wù)質(zhì)量。所有屬于同一個流的數(shù)據(jù)報具有相同的流標(biāo)號。賦值為0即為關(guān)閉
  • 有效載荷長度,占16位,指明除基本首部以外的字節(jié)數(shù)。最大64KB;
  • 下一首部,占8位,相當(dāng)于IPv4的協(xié)議字段或可選字段。
    • 當(dāng)IPv6沒有擴展首部時,該字段和IPv4的協(xié)議字段一樣;
    • 有擴展首部時,表示第一個擴展首部的類型
  • 跳數(shù)限制,和IPv4的TTL一樣
  • 源地址,目的地址,各占128位。

從IPv4向IPv6過渡

網(wǎng)絡(luò)如此龐大,從IPv4向IPv6的變換不可能一蹴而就。若要在兩個版本的協(xié)議下通信,有下面的2個方法。

雙協(xié)議棧

簡單的說就是一個主機能夠理解兩個版本的內(nèi)容,這樣主機也要有2個版本對應(yīng)的IP地址。具有雙協(xié)議棧的主機,可以通過DNS系統(tǒng)知道目的主機使用的協(xié)議版本了。

下面是兩臺使用IPv6的主機通信示意圖,它們之間需要通過IPv4網(wǎng)絡(luò),在必要的時候經(jīng)過雙協(xié)議棧的主機進行協(xié)議的轉(zhuǎn)換,當(dāng)然轉(zhuǎn)換的時候有些信息可能丟失,這也是不可避免的。

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使用隧道技術(shù)

隧道技術(shù)的原理是,在IPv6的數(shù)據(jù)需要進入IPv4網(wǎng)絡(luò)時,將IPv6的數(shù)據(jù)報(準確的說是PDU)當(dāng)成IPv4數(shù)據(jù)報的數(shù)據(jù)部分,使用IPv4版本傳輸,在離開IPv4網(wǎng)絡(luò)時在此組裝成IPv6的數(shù)據(jù),發(fā)往目的地。

下面是一個示意圖:

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結(jié)束語

大家都看懂了嗎?讀完希望大家能有一種恍然大悟的感覺~

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