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tags: [计算机网络, IPv6, SLAAC, 地址空间]
create time: 2026-05-18 00:20
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# IPv6 地址与扩展头部

## 概述

IPv6 是为解决 IPv4 地址枯竭而设计的下一代互联网协议。但它的改进远不止于地址空间——简化首部、内置安全支持、无分片（by design）、自动配置等特性使其更适合现代网络架构。

## IPv6 地址表示法

### 十六进制冒号分隔格式

```
2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329
```

### 缩写规则

| 规则 | 说明 |
|------|------|
| 前导零省略 | `0db8` → `db8`；`0042` → `42` |
| 连续全零段压缩为 `::` | 只能出现**一次**（否则歧义） |

示例：
```
完整:     2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329
缩写:     2001:db8::ff00:42:8329          ← 最简形式

loopback: 0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001
         ::1                             ← 仅一个字符

IPv4映射: 0000:0000:0000:0000:0000:ffff:c0a8:0101
         ::ffff:192.168.1.1               ← 兼容旧系统
```

### 常见 IPv6 地址类型

| 前缀 | 类型 | 示例 | 范围 |
|------|------|------|------|
| `2000::/3` | 全球单播 (GUA) | `2001:db8::1` | 公网路由 |
| `::1/128` | 环回 (Loopback) | `::1` | 本机 |
| `fc00::/7` | ULA (唯一本地地址) | `fd00::1` | 私有地址，等价 RFC1918 |
| `fe80::/10` | 链路本地 (Link-Local) | `fe80::1` | 仅同链路可用，自动配置 |
| `ff00::/8` | 组播 (Multicast) | `ff02::1` | 多播组 |
| — | 未指定地址 | `::` | 类似 IPv4 的 0.0.0.0 |

## IPv6 地址组成

### EUI-64（自动生成）

从 MAC 地址生成接口标识符（正在被隐私扩展取代）：

```
MAC:     aa:bb:cc:dd:ee:ff
插入 ff:fe → aa:bb:cc:ff:fe:dd:ee:ff
翻转第七位(UD bit) → ab:bb:cc:ff:fe:dd:ee:ff

结果:    fe80::ab:bb:cc:ff:fe:dd:ee:ff  (link-local)
```

### SLAAC（ Stateless Address Autoconfiguration ）

主机无需 DHCP 服务器，通过 Router Advertisement（RA）消息自行配置：

```mermaid
sequenceDiagram
    participant Host as 主机
    participant R as 路由器
    
    R->>Host: Router Advertisement (每 200s~60min)
    Note over Host: RA 中包含:
    Note over Host:  - 前缀 (如 2001:db8:abcd::/64)
    Note over Host:  - prefix length
    Note over Host:  - 默认网关
    Note over Host:  - DNS (RFC 6106 / RDNSS)
    
    Host->>Host: 自构 IPv6 地址
    Host->>R: NDP Neighbor Solicitation (查重)
    R-->>Host: (无冲突 → 无回复)
    Host->>Host: ✅ 分配 2001:db8:abcd::<interface-id>
```

### DUID-DHCPv6

DHCPv6 服务器分配地址时需要客户端标识：
- **DUID-LLT**: DUID + Link-Layer Time + Link-Layer Address
- **DUID-UUID**: DUID + UUID (持久不变)

## IPv6 首部 vs IPv4 首部

| 字段 | IPv4 | IPv6 |
|------|------|------|
| 版本 | 4 bit | 4 bit |
| 优先级 | DSCP+ECN (8 bit) | Traffic Class + Flow Label (20 bit) |
| 长度 | Total Length (含首部) | Payload Length (**不含**首部) |
| Next Header | Protocol (替代) | Next Header (等同) |
| Hop Limit | TTL | Hop Limit (改名但不改功能) |
| 源/目的 IP | ✅ | ✅ |
| 首部 Checksum | ✅ | ❌ **已删除！** |
| 分片 | ID/DF/MF/Offset | 移到扩展头（由源端分片） |

### IPv6 为什么去掉 Checksum？

- TCP/UDP/ICMPv6 自带端到端校验
- 链路层 Ethernet FCS 已做底层校验
- 每跳计算 Checksum 增加路由器负担 → 提升转发性能

### Flow Label（流标签）

新引入的 20-bit 字段，用于标识属于同一"流"的数据包序列。中间网络设备可据此做 QoS 或负载均衡——无需深度解析载荷。

## IPv6 扩展头部（Extension Headers）

IPv6 将可选功能移出固定首部，放在扩展头链中，由 Next Header 字段串联：

```
Fixed Header → Hop-by-Hop Options (可选) → Destination Options → Routing → Fragment → Authentication (AH) → Encapsulating Security Payload (ESP) → Upper Layer (TCP/UDP/ICMPv6)
```

| 扩展头 | 类型值 | 用途 |
|--------|-------|------|
| Hop-by-Hop Options | 0 | 逐跳选项（极少使用） |
| Routing | 43 | 路由类型 0 (SRv6 前身)、Type 2 (Mobile IPv6) |
| Fragment | 44 | 分片信息（ID/offset/MF），仅出现在原始包中 |
| Authentication (AH) | 51 | IPsec 认证（较少独立使用） |
| Encapsulating Security Payload (ESP) | 50 | IPsec 加密封装 |
| Destination Options | 60 | 终点选项（MIO 移动 IPv6、Jumbo Payload） |
| Mobility Header | 135 | Mobile IPv6 |

> [!warning] Path MTU Discovery in IPv6
> IPv6 规定**路由器不允许对 IP 包分片**。如果包超过链路 MTU，路由器直接丢弃并返回 ICMPv6 "Packet Too Big"。这就是 PMTUD 在 IPv6 中成为强制要求的原因。

## IPv4 到 IPv6 的过渡机制

| 技术 | 原理 | 适用场景 |
|------|------|---------|
| Dual Stack | 同时运行 IPv4 和 IPv6 | 最常见，逐步迁移 |
| Tunneling (6in4/6to4) | IPv6 包封装在 IPv4 中传输 | 穿越纯 IPv4 骨干网 |
| NAT64/DNS64 | 客户端仅有 IPv6，NAT 翻译到 IPv4 | 运营商级部署 |
| SIIT | 状态less 翻译，地址嵌入 (IPv4-mapped) | ISP、企业边界 |

## Go 中的 IPv6 支持

```go
import "net"

// 创建双栈监听器（同时支持 v4/v6）
ln, err := net.Listen("tcp6", ":8080")
// 设置 IPv6Only = false 可同时接受 IPv4 连接 (DualStack)

// 解析 IPv6 地址
ip := net.ParseIP("2001:db8::1") // net.IP 天然支持 v4/v6

_, cidr, _ := net.ParseCIDR("2001:db8::/32")
fmt.Println(cidr.Contains(ip)) // true
```

## 关联笔记

- [[hhs/NETWORK/IPv4首部与分段重组]] — IPv4 和 IPv6 首部的差异对比
- [[hhs/NETWORK/DNS原理与优化]] — AAAA 记录解析 IPv6 地址
- [[hhs/NETWORK/CIDR与子网划分]] — CIDR 在 IPv6 中的应用方式相同