Введение: IPv6 - это просто

Будущее, которое наступило

Май 06, 2020 Мерион Нетворкс

11 минут чтения

В этой статье мы рассмотрим IPv6 (Internet Protocol version 6), причины, по которым он нам нужен, а также следующий аспект: различия с IPv4. Пока существует Интернет, используется протокол IPv4 для адресации и маршрутизации. Однако проблема с IPv4 заключается в том, что у нас закончились адреса.

Так что же случилось с IPv4? Что же пошло не так? У нас есть 32 бита, которые дают нам 4 294 467 295 IP-адресов. Когда появился Интернет, мы получили сети класса А, В или С. Класс С дает нам блок из 256 IP-адресов, класс B - это 65.535 IP-адресов, а класс A даже 16 777 216 IP-адресов. Крупные компании, такие как Apple, Microsoft, IBM и др. имеют одну или несколько сетей класса А. Но действительно ли им нужно 16 миллионов IP-адресов? Большинство из этих IP-адресов не были использованы.

Поэтому мы начали использовать VLSM, чтобы использовать любую маску подсети, которая нам нравится, и создавать более мелкие подсети, а не только сети класса A, B или C. У нас также имеется NAT и PAT, следовательно, мы имеем много частных IP-адресов за одним публичным IP-адресом.

Тем не менее интернет вырос так, как никто не ожидал 20 лет назад. Несмотря на все наши крутые трюки, такие как VLSM и NAT/PAT, нам нужно было больше IP-адресов, и поэтому родился IPv6.

А что случилось с IPv5? Хороший вопрос ... IP-версия 5 была использована для экспериментального проекта под названием "Протокол интернет-потока". Он определен в RFC, если вас интересуют исторические причины: http://www.faqs.org/rfcs/rfc1819.html

IPv6 имеет 128-битные адреса по сравнению с нашими 32-битными IPv4-адресами. Имейте в виду, что каждый дополнительный бит удваивает количество IP-адресов. Таким образом мы переходим от 4 миллиардов к 8 миллиардам, 16,32,64 и т. д. Продолжайте удвоение, пока не достигнете 128-битного уровня. Просто вы увидите, сколько IPv6-адресов это даст нам:

340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456;

Можем ли мы вообще произнести это? Давайте попробуем вот это:

340 - ундециллионов;
282 - дециллионов;
366 - нониллионов;
920 - октиллионов;
938 - септиллионов;
463 - секстиллионов;
463 - квинтильонов;
374 - квадрильонов;
607 - триллионов;
431 - биллионов;
768 - миллионов;
211 - тысяч;
456.

Это умопомрачительно... это дает нам достаточное количество IP-адресов для сетей на Земле, Луне, Марсе и остальной Вселенной. IPv6-адреса записываются в шестнадцатеричном формате.

IPv4 и IPv6 несовместимы друг с другом, поэтому многие протоколы были обновлены или заменены для работы с IPv6, вот некоторые примеры:

OSPF был обновлен с версии 2 (IPv4) до версии 3 (IPv6);
ICMP был обновлен до версии ICMP 6;
ARP был заменен на NDP (Neighborhood Discovery Protocol).

Заголовок пакета IPv6 содержит адреса источника и назначения, но по сравнению с IPv4 он стал намного проще:

Вместо того чтобы уже добавлять все поля в заголовок, заголовок IPv6 использует "следующий заголовок", который ссылается на необязательные заголовки. Поскольку заголовок намного проще, маршрутизаторам придется выполнять меньше работы.

А как насчет маршрутизации? Есть ли разница между IPv4 и IPv6? Давайте рассмотрим варианты маршрутизации:

Static Routing;
RIPng;
OSPFv3;
MP-BGP4;
EIGRP.

Вы все еще можете использовать статическую маршрутизацию, как и в IPv4, ничего нового здесь нет. RIP был обновлен и теперь называется RIPng или RIP Next Generation.

OSPF для IPv4 на самом деле является версией 2, а для IPv6 у нас есть версия 3. Это отдельный протокол, он работает только на IPv6. Есть только незначительные изменения, внесенные в OSPFv3.

BGP (Border Gateway Protocol) - это протокол маршрутизации, который объединяет Интернет вместе.MP-BGP расшифровывается как Multi-Protocol BGP, и он может маршрутизировать IPv6. EIGRP также поддерживает IPv6.

Просто имейте в виду, что OSPF и EIGRP поддерживают IPv6, но это отдельные протоколы. Если у вас есть сеть с IPv4 и IPv6, вы будете запускать протокол маршрутизации для IPv4 и еще один для IPv6. Запуск IPv4 и IPv6 одновременно называется двойным стеком.

Поскольку эти два протокола несовместимы, в будущем будет происходить переход с IPv4 на IPv6. Это означает, что вы будете запускать оба протокола в своей сети и, возможно, однажды вы сможете отключить IPv4, так как весь интернет будет настроен на IPv6.

Давайте взглянем на формат IPv6-адреса: 2041:0000:140F:0000:0000:0000:875B:131B

Во-первых, он шестнадцатеричный и гораздо длиннее, чем IPv4-адрес. Существует восемь частей, состоящих из 4 шестнадцатеричных цифр каждая, поэтому 128-битный адрес может быть представлен 32-битными шестнадцатеричными символами. Если вы забыли, как работает шестнадцатеричный код, взгляните на таблицу ниже:

В шестнадцатеричной системе счисления мы считаем от 0 до F точно так же, как мы считали бы от 0 до 15 в десятичной системе счисления:

A = 10;
B = 11;
C = 12;
D = 13;
E = 14;
F = 15.

Использование шестнадцатеричного кода помогает сделать наши адреса короче, но ввод адреса IPv6 - это все еще большая работа. Представьте себе, что вы звоните другу и спрашиваете его, может ли он пинговать IPv6-адрес 2041:0000:140F:0000:0000:0000:875B:131B, чтобы узнать, может ли он достучаться до своего шлюза по умолчанию.

Чтобы облегчить нам работу с такими адресами, можно сделать IPv6-адреса короче. Вот пример:

Оригинальный: 2041: 0000:140F:0000:0000:0000:875B:131B

Сокращенный: 2041: 0000:140F:: 875B:131B

Если есть строка нулей, вы можете удалить их, заменив их двойным двоеточием (::). В приведенном выше IPv6-адресе удалены нули, сделав адрес немного короче. Вы можете сделать это только один раз.

Мы можем сделать этот IPv6 адрес еще короче используя другой трюк:

Сокращенный: 2041: 0000:140F:: 875B:131B;
Еще короче: 2041:0:140F:: 875B:131B

Если у вас есть блок с 4 нулями, вы можете удалить их и оставить там только один ноль.

Мы также можем удалить все впередистоящие нули:

Оригинальный: 2001:0001:0002:0003:0004:0005:0006:0007;
Сокращенный: 2001:1:2:3:4:5:6:7

Подытожим небольшие правила:

Строку нулей можно удалить, оставив только двоеточие (::). Вы можете сделать только это однажды.;
4 нуля можно удалить, оставив только один ноль. Впередиидущие нули могут быть удалены в пределах одного блока.;
Вы не можете удалить все нули, иначе ваше устройство, работающее с IPv6 не поймет, где заполнить нули, чтобы снова сделать его 128-битным.;

Вычисление префикса IPV6 мы пропустим, так как ресурсов, рассказывающих об этом в сети Интернет, специальных книгах полно. Нет смысла повторяться.

Потребуется некоторое время, чтобы привыкнуть к IPv6-адресации и поиску префиксов, но чем больше вы этим занимаетесь, тем дальше становиться проще. В оставшейся части этой статьи мы еще немного поговорим о различных типах адресации IPv6. IPv4-адреса организованы с помощью "системы классов", где класс A, B и C предназначены для одноадресных IP-адресов, а класс D-для многоадресной передачи. Большинство IP-адресов в этих классах являются публичными IP-адресами, а некоторые-частными IP-адресами, предназначенными для наших внутренних сетей. Нет такой вещи, как классы для IPv6, но IANA действительно зарезервировал определенные диапазоны IPv6 для конкретных целей. У нас также есть частные и публичные IPv6-адреса. Первоначально идея IPv4 заключалась в том, что каждый хост, подключенный к Интернету, будет иметь общедоступный IP-адрес. Каждая компания получит сеть класса А, В или С, и сетевые инженеры в компании будут дополнительно подсоединять ее так, чтобы каждый хост и сетевое устройство имели общедоступный IP-адрес.

Проблема, однако, заключается в том, что адресное пространство IPv4 было слишком маленьким, и выдавать полные сети A, B или C было не очень разумно. Даже если вам требуется только небольшое количество IP-адресов, вы все равно получите сеть класса C, которая дает вам 254 пригодных для использования IP-адреса. Компания, которой требуется 2.000 IP-адресов, получит класс B, который дает вам более 65.000 IP-адресов.

Поскольку у нас заканчивались IP-адреса, мы начали использовать такие вещи, как VLSM (избавляясь от идеи класса A, B, C) и настраивали частные IP-адреса в наших локальных сетях, а вместо этого использовали NAT/PAT. Протокол IPv6 предлагает два варианта для одноадресной рассылки:

Global Unicast;
Unique Local.

Раньше существовал третий диапазон адресов, называемый "site local", который начинался с FEC0:: / 10. Этот диапазон изначально предназначался для использования во внутренних сетях, но был удален из стандарта IPv6.

Global Unicast передачи IPv6 похожи на публичные IPv4-адреса. Каждая компания, которая хочет подключиться к интернету с помощью IPv6, получит блок IPv6-адресов, которые они могут дополнительно разделить на более мелкие префиксы, чтобы все их устройства имели уникальный IPv6-адрес. Зарезервированный блок называется префиксом глобальной маршрутизации.

Поскольку адресное пространство IPv6 настолько велико, каждый может получить префикс глобальной маршрутизации. Давайте посмотрим, как назначаются префиксы IPv6-адресов. Допустим, компания получает префикс 2001:828:105:45::/64. Как они его получили?

Мы пройдемся по этой картине сверху вниз:

IANA отвечает за распределение всех префиксов IPv6. Они будут назначать реестрам различные блоки. ARIN - для Северной Америки, RIPE -для Европы, Ближнего Востока и Центральной Азии. Всего таких реестров насчитывается 5. IANA присваивает 2001: 800:: /23 RIPE и 2001: 0400::/23 ARIN (и многие другие префиксы).;
ISP, который попадает под реестр RIPE, запрашивает блок пространства IPv6. Они получают от них 2001: 0828:: / 32, которые в дальнейшем могут использовать для клиентов.;
ISP дополнительно подсоединит свое адресное пространство 2001:0828::/32 для своих пользователей. В этом примере клиент получает префикс 2001:828:105::/48.;

IANA зарезервировала определенные диапазоны адресов IPv6 для различных целей, точно так же, как это было сделано для IPv4. Первоначально они зарезервировали IPv6-адреса, которые с шестнадцатеричными 2 или 3 являются global unicast адресами. Это можно записать как 2000:: / 3. В настоящее время они используют все для global unicast рассылки, которая не зарезервирована для других целей.

Некоторые из зарезервированных префиксов являются:

FD: Unique Local;
FF: Multicast;
FE80: Link-Local.

Обсудим префиксы local и link-local

В моем примере клиент получил 2001: 828:105:: / 48 от провайдера, но прежде чем я смогу что-либо сделать с этим префиксом, мне придется разбить на подсети его для различных VLAN и point-to-point соединений, которые у меня могут быть. Подсети для IPv6 - это примерно то же самое, что и для IPv4, но математика в большинстве случаев проще. Поскольку адресное пространство настолько велико, почти все используют префикс /64 для подсетей. Нет смысла использовать меньшие подсети.

При использовании IPv4 у нас была часть "сеть" и "хост", а класс A, B или C определяет, сколько битов мы используем для сетевой части:

Когда мы используем подсети в IPv4 мы берем дополнительные биты от части хоста для создания большего количества подсетей:

И, конечно, в результате у нас будет меньше хостов на подсеть. Подсети для IPv6 используют аналогичную структуру, которая выглядит следующим образом:

Префикс global routing был назначен вам провайдером и в моем примере клиент получил его 2001:828:105::/48. Последние 64 бита называются идентификатором интерфейса, и это эквивалентно части хоста в IPv4.

Это оставляет нас с 16 битами в середине, которые я могу использовать для создания подсетей. Если я хочу, я могу взять еще несколько битов из идентификатора интерфейса, чтобы создать еще больше подсетей, но в этом нет необходимости.

Используя 16 бит, мы можем создать 65.536 подсетей ...более чем достаточно для большинства из нас. И с 64 битами для идентификатора интерфейса на подсеть, мы можем иметь восемнадцать квинтиллионов, четыреста сорок шесть квадриллионов, семьсот сорок четыре триллиона, семьдесят четыре миллиарда, семьсот девять миллионов, пятьсот пятьдесят одну тысячу, шестьсот с чем-то хостов на подсеть. Этого должно быть более чем достаточно!

Использование 64-битного идентификатора интерфейса также очень удобно, потому что он сокращает ваш IPv6-адрес ровно наполовину!

Допустим, наш клиент с префиксом 2001: 828: 105:: / 48 хочет создать несколько подсетей для своей внутренней сети. Какие адреса мы можем использовать?

16 бит дает нам 4 шестнадцатеричных символа. Таким образом, все возможные комбинации, которые мы можем сделать с этими 4 символами, являются нашими возможными подсетями. Все, что находится между 0000 и FFFF, является допустимыми подсетями:

2001:828:105:0000::/64;
2001:828:105:0001::/64;
2001:828:105:0002::/64;
2001:828:105:0003::/64;
2001:828:105:0004::/64;
2001:828:105:0005::/64;
2001:828:105:0006::/64;
2001:828:105:0007::/64;
2001:828:105:0008::/64;
2001:828:105:0009::/64;
2001:828:105:000A::/64;
2001:828:105:000B::/64;
2001:828:105:000C::/64;
2001:828:105:000D::/64;
2001:828:105:000E::/64;
2001:828:105:000F::/64;
2001:828:105:0010::/64;
2001:828:105:0011::/64;
2001:828:105:0012::/64;
2001:828:105:0013::/64;
2001:828:105:0014::/64;
И так далее.

Всего существует 65 535 возможных подсетей, поэтому, к сожалению, я не могу добавить их все в статью...теперь мы можем назначить эти префиксы различным соединениям типа point-to-point, VLAN и т. д.