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2026-05-24 11:42:38 +08:00

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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：

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

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

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