4.5 IPv6、IP 组播、移动 IP 与路由器

IPv6 的主要特点、首部格式与地址表示，IPv4 向 IPv6 的过渡；IP 组播地址、IGMP 与组播路由；移动 IP 的基本概念；路由器的组成、路由表与转发表。

IPv6

解决”IP 地址耗尽”问题的措施有以下三种：① 采用无类别编址 CIDR，使 IP 地址的分配更加合理；② 采用网络地址转换（NAT）方法以节省全球 IP 地址；③ 采用具有更大地址空间的新版本的 IPv6。其中前两种方法只是延长了 IPv4 地址分配结束的时间，只有第三种方法从根本上解决了 IP 地址的耗尽问题。

IPv6 的主要特点

1. 更大的地址空间：IPv6 将地址从 IPv4 的 32 位增大到了 128 位；
2. 扩展的地址层次结构；
3. 灵活的首部格式：IPv6 定义了许多可选的扩展首部，不仅可提供比 IPv4 更多的功能，而且可以提高路由器的处理效率，这是因为路由器对逐跳扩展首部外的其他扩展首部都不进行处理；
4. 改进的选项、允许协议继续扩充；
5. 支持即插即用（自动配置），因此 IPv6 不需要使用 DHCP；
6. 支持资源的预分配（流标号）；
7. IPv6 只有在包的源结点才能分片，是端到端的，传输路径中的路由器不能分片（所以从一般意义上说，IPv6 不允许分片）；
8. IPv6 首部长度必须是 8 B 的整数倍，而 IPv4 首部是 4 B 的整数倍；
9. 增大了安全性，身份验证和保密功能是 IPv6 的关键特征。

IPv6 地址

IPv6 数据报的目的地址可以是以下三种基本类型地址之一：单播（传统的点对点通信）、多播（一点对多点的通信，分组被交付到一组计算机的每台计算机）、任播（IPv6 增加的一种类型，任播的目的站是一组计算机，但数据报在交付时只交付其中的一台计算机，通常是距离最近的一台）。IPv6 不再有广播地址。

IPv6 地址一般采用冒号十六进制记法：每 16 位用一个十六进制值表示，各值之间用冒号分隔，例如 4BF5:AA12:0216:FEBC:BA5F:039A:BE9A:2170。可以采用以下压缩方法：

• 当 16 位域的开头有一些 0 时，可以采用一种缩写表示法，但在域中必须至少有一个数字，例如 4BF5:0000:0000:0000:BA5F:039A:000A:2176 可缩写为 4BF5:0:0:0:BA5F:39A:A:2176；
• 当有相继的 0 值域时，还可以进一步缩写，这些域可以用双冒号缩写（::），称为零压缩。双冒号在一个地址中仅能出现一次，因为在解压缩时要知道 :: 代表多少个 0 值域。

从 IPv4 向 IPv6 过渡

• 双协议栈：在一台设备上同时装有 IPv4 和 IPv6 协议栈，那么这台设备既能和 IPv4 网络通信，又能和 IPv6 网络通信。如果这台设备是一个路由器，那么在路由器的不同接口上分别配置了 IPv4 地址和 IPv6 地址；如果这台设备是一台计算机，那么它将同时拥有 IPv4 地址和 IPv6 地址，并具备同时处理这两个协议地址的功能；
• 隧道技术：将整个 IPv6 数据报封装到 IPv4 数据报的数据部分，使得 IPv6 数据报可以在 IPv4 网络的隧道中传输。

IP 组播

为了能够支持像视频点播和视频会议这样的点对多点通信，当网络中的某些用户需要特定数据时，组播数据发送者仅发送一次数据，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的数据到达距离用户端尽可能近的结点后才开始复制和分发，是一种有效的点对多点传输方式。

• IP 组播地址就是 IPv4 中的 D 类地址（224.0.0.0 ~ 239.255.255.255），D 类地址的前 4 位是 1110，因此 D 类地址范围是 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255；
• 组播数据报也是”尽最大努力交付”，不提供可靠交付；组播地址只能用于目的地址，而不能用于源地址；对组播数据报不产生 ICMP 差错报文；并非所有的 D 类地址都可作为组播地址；
• 硬件组播：以太网组播 MAC 地址的前 25 位为 01-00-5E 加一个 0，低 23 位直接取自 IP 组播地址的低 23 位；
• IGMP（网际组管理协议）：让连接到本地局域网上的组播路由器知道本局域网上是否有主机（上的进程）参加或退出了某个组播组。IGMP 使用 IP 数据报传递其报文；
• 组播路由选择：找出以源主机为根结点的组播转发树。常用的三种算法：基于链路状态的路由选择、基于距离向量的路由选择、可以建立在任何路由器协议之上的协议独立的组播（PIM）。

移动 IP

移动 IP 技术是指移动结点（计算机/服务器等）以固定的网络 IP 地址实现跨越不同网段的漫游功能，并保证基于网络 IP 的网络权限在漫游过程中不发生任何改变。

• 移动结点：具有永久 IP 地址（归属地址）的移动设备；
• 归属代理（本地代理）：一个移动结点拥有的”居所”称为归属网络，在归属网络中代表移动结点执行移动管理功能的实体称为归属代理；
• 外部代理（外地代理）：在外部网络中帮助移动结点完成移动管理功能的实体称为外部代理，它为移动结点提供一个转交地址；
• 通信过程：移动结点在归属网络时，按传统的 TCP/IP 方式进行通信；漫游到外地网络时，向外部代理登记以获得一个临时的转交地址，外部代理再向归属代理登记转交地址；之后发往移动结点归属地址的数据报被归属代理截获，并通过隧道转发给外部代理，再由外部代理交付给移动结点。

路由器

路由器是一种具有多个输入/输出端口的专用计算机，其任务是连接不同的网络（连接异构网络）并完成路由转发。从结构上看，路由器由路由选择和分组转发两部分构成：

• 路由表由路由选择算法得出，一般用软件实现，总是用软件来维持；转发表由路由表得出，可以用软件实现，也可以用特殊的硬件来实现，转发表必须包含完成转发功能所必需的信息（目的地址 → 输出端口 + 下一跳 MAC 地址）；
• 输入端口和输出端口都有缓冲队列：若分组处理速率赶不上分组进入队列的速率，就会在输入端口排队；若交换结构送来分组的速率超过输出链路的发送速率，就会在输出端口排队。队列溢出时丢弃分组——这是分组丢失的主要原因；
• 路由器隔离了广播域；对于收到的 IP 分组，路由器只校验首部（不保证分组不丢失）。

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