itmo_conspects

Лекция 8. Протокол IPv6

Протокол IPv6 начал разрабатываться в 1996 году. В 1998 году был выпущен стандарт RFC 2460, в котором описан протокол IPv6. В 2010 году появилось четвертое поколение мобильной связи 4G

В 2011 году последняя сеть /8 была выдана комитетом IANA (Internet Assigned Numbers Authority). 6 июня 2012 года состоялся всемирный запуск Интернета IPv6

Переход на IPv6 нужен был, так как IPv4-адреса закончились (несмотря на то, что есть трансляция адресов) и протокол IPv4 имел свои недостатки

Рассмотрим, как IP адреса распределяются конечным пользователям. Белые IP-адреса выделяются комитетом IANA организациям RIR (Regional Internet Registry), привязанных к определенному региону

Всего организаций RIR пять:

• Asia-Pacific Network Information Center (APNIC) - Азия и Океания
• African Network Information Center (AFRINIC) - Африка
• American Registry for Internet Numbers (ARIN) - Северная Америка
• Latin American and Caribbean Network Information Center (LACNIC) - Латинская и Южная Америка
• Réseaux IP Européens Network Center (RIPE NCC) - Европа, Ближний Восток и Центральная Азия

Далее адреса от RIR раздаются LIR (Local Internet Registry) - локальным организациям (обычно это институты, провайдеры связи или корпорации), а от них провайдерам и конечным пользователям

Последняя сеть /24 была выделена в 2019 году европейским RIPE NCC. Сейчас все IPv4-адреса (не считая зарезервированных и класса E) заняты и перераспределяются организаторами-операторами

Помимо малого числа адресов протокол IPv4 имеет еще недостатки:

• Много костылей, например, опции в заголовке, которые решают задачи других сетевых протоколов
• Фрагментация, которая увеличивает суммарный объем пакетов
• Изменение заголовка при прохождении через узел - поля “время жизни” и “контрольная сумма” меняются каждый раз

• Трансляция адресов, которая решает проблему нехватки адресов, но добавляет задержку при прохождении. Также трансляция адресов, изменяя адреса в заголовке, нарушает его целостность

  Например, IP Security, который меняет изначальный заголовок, из-за чего принимающая сторона не принимает пакет. Также, трансляция адресов не позволяет установить соединение снаружи локальной сети в саму сеть

• Маршрутизация в IPv4 возникает каждый раз для отдельного пакета, несмотря на то, что для набора пакета маршрут между двумя узлами вряд ли измениться

• IPv4 не отвечает потребностям 5G и IoT (Internet of Things), так как множество устройств должны общаться между собой, из-за чего использование широковещания создает дополнительную нагрузки при обработке

---

Заголовок IPv6-пакета состоит из следующих полей:

• Версия, то есть 0110 (0x6), 4 бита

• Класс трафика, 8 бит

  Класс трафика - это поле “Тип службы” из IPv6-заголовка, содержащий:

  • DSCP (Differentiated Services Code Point), 6 бит - используется для разделения трафика на классы обслуживания
  • ECN (Explicit Congestion Notification), 2 бита - “Явное уведомление о перегрузке”

• Маркер потока, 20 бит

  Маркер потока - идентификатор маршрута, по которому нужно доставить этот пакет

  Маршрутизация IPv6 может осуществляется для каждого пакета, а может для потока из пакетов. Для этого в маршрутизаторах есть вторая таблица, в которой три столбца: маркер входного потока, маркер выходного потока и шлюз дальнейшей отправки

  Когда приходит пакет с каким-либо неизвестным ранее маркером потока, то для него в таблице маршрутизации (а она может быть огромной) ищется подходящий шлюз. Далее маркер потока меняется ради безопасности, пакет по нему передается, а во второй таблице делается запись

• Размер полезной нагрузки в октетах (8 бит), 16 бит

• Следующий заголовок, 8 бит

  Идентификатор протокола следующего уровня. Для TCP это 0x06, для UDP - 0x11, полный список - iana.org/assignments/protocol-numbers/protocol-numbers.xhtml. Выполняет ту же функцию, что и поле “Протокол” в IPv4-заголовке

• Число ретрансляций, 8 бит

  Число ретрансляций заменяет поле “Время жизни” в IPv4-заголовке - при прохождении через узел уменьшается на 1. Если на промежуточный узел пришел пакет с числом ретрансляций, равном 0, то он отбрасывается

• IP-адрес отправителя, 128 бит
• IP-адрес получателя, 128 бит

Помимо адреса, IPv6 также имеет такие изменения:

• Нет широковещания
• Нет фрагментации
• Нет надобности в трансляции адресов (но некоторые операторы все равно реализуют ее)
• Есть маршрутизация по меткам
• Есть автоконфигурирование
• Есть работа с несколькими маршрутизаторами

Адрес IPv6 состоит из 128 бит. Они бывают:

• Глобальные уникальные адреса (Global Unicast) - 2000::/3

  Адреса для узлов в глобальной сети, выдаются провайдерами, начинаются с 2 или 3

• Локальные адреса (Link-Local) - fe80::/10

  Адреса для использования в локальной сети (в пределах одного канала), используются для служебных протоколов, автоматически генерируются

• Уникальные локальные адреса (Unique Local) - fc00::/7 (чаще используется подмножество fd00::/8)

  Такие адреса не маршрутизируются в Интернете, используются в частных сетях компаний и должны быть уникальными внутри организации

• Loopback-адрес - ::1/128 или ::1

  Используется для локального тестирования, пакет приходит на сам хост

• Мультивещательные адреса (Multicast) - ff00::/8

  Заменяет широковещание и позволяет отправлять пакеты группе адресов. Среди них ff02::1 - адрес для отправки всем локальным узлам, ff02::2 - всем роутерам

• Неуказанный адрес (Unspecified address) - ::/128

  Используется для обнаружения соседей (Neighbor Solicitation) или в протоколе DHCPv4

---

В отличии от IPv4, где автоконфигурирование осуществляется по протоколу DHCP, в IPv6 есть 3 варианта автоконфигурирования:

• Используя только SLAAC (Stateless Address Autoconfiguration)

  При подключении хоста к сети хост создает себе локальный адрес, начинающийся с fe80::/10 и содержащий в себе MAC-адрес или случайный набор цифр

  Далее адрес проверяется на уникальность у соседей. Если коллизий не возникло, то отправляется запрос “Router Solicitation” роутерам на ff02::2 по протоколу ICMPv6. Роутер отправляет пакет “Router Advertisement” протокола ICMPv6 с флагом Autonomous (то есть хосту нужно использовать SLAAC). Также в этом пакете есть предел числа ретрансляций, время актуальности маршрута и другие параметры

  Хост получает этот пакет и префикс сети, в которой находится, и создает глобальный уникальный адрес

  • С помощью MAC-адреса - префикс + первые 24 бита MAC (с инвертированным 7-ым битом) + ff:fe + последние 24 бита MAC
  • Случайным образом, чтобы скрыть устройство при смене сети, так как преобразованием с MAC-адресом является обратимым

  Далее адрес аналогично проверяется на коллизию

• Используя SLAAC и DHCPv6

  Так как по SLAAC нельзя получить адрес DNS-сервера, то используется такой подход:

  • IP-адрес получается при помощи SLAAC
  • Роутер отвечает пакетом с флагами Autonomous и Other
  • Хост самостоятельно отправляет запрос DHCP-серверу по адресу ff02::1:2 с просьбой отправить список DNS-серверов
  • DHCP отвечает

  Такой подход используется чаще всего

• Используя только DHCPv6

  Такой подход полностью аналогичен тому, что используется в IPv4. При подключении роутер отправляет хосту ICMPv6-пакет с флагом Managed, далее хост делает запрос DHCP-серверу на получение IPv6-адреса, DNS-серверов и других данных

Также, с приходом DHCPv6 стало возможным выделять не один IPv6-адрес, а диапазон с префиксом. Роутер (обобщенно Customer Premises Equipment) подключается к сети провайдера, делает широковещательный запрос на делегацию IP-адресов самостоятельно. DHCP-сервер выдает префикс роутеру, а роутер сам может раздавать адреса узлам в сети. Такой подход называется Prefix Delegation

---

Если IPv6 такой потрясающий, то почему его везде не используют?

Используется, но:

• Нужны инвестиции для доработки инфраструктуры
• Нужна поддержка программ и операционных систем
• Срочности перехода нет

Однако важно учесть:

• Протокол IPv6 не передает данные быстрее, чем IPv4 (или разница незаметна)
• IPv6 не имеет собственного шифрования IP Security
• Несмотря на то, что адресов много, статический адрес IPv6 не дается бесплатно и навсегда
• IPv6 плохо работает при роуминге (переключении на другую сотовую вышку при передвижении) мобильных устройств
• IPv6 скорее всего не заменит IPv4 в ближайшие годы
• В IPv6 проще обеспечить связность адресов, так как адреса не меняются в ходе прохождения пакета
• IPv6 не является менее безопасным из-за отсутствия трансляции адресов, несмотря на то, что трансляция адресов не обеспечивает безопасность
• IPv6 не является прям большим провалом

This site is open source. Improve this page.