Курс IPv6

Адресное пространство IPv6

Самое важно отличие между двумя протоколами заключается в длине адресного пространства (адресов источников и приемников). Вся необходимость перехода к протоколу IPv6 заключается в глобальном дефиците IP адресов. Очевидно, что протокол IPv6 имеет большее адресное пространство, чем протокол IPv4.
Протокол IPv4 использует 32-битные адреса. Эти адреса обычно представлены в виде набора из четырех октетов (octet). Я уверен, что вы знаете, что обычный адрес IPv4 выглядит примерно тaк: 192.168.0.1. Напротив, для протокола IPv6 адрес имеет длину 128 бит. Это позволяет иметь в целом 3.4x1038 (или 340,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000) адресов. Существует несколько различных способов представления адресов IPv6. Адрес IPv6 обычно написан как восемь групп четырех шестнадцатиричных (hexadecimal) цифр, каждая из которых отделены двоеточием. Например, адрес IPv6 address выглядит примерно так: 2001:0f68:0000:0000:0000:0000:1986:69af.
Увидев пример адреса, представленный выше, вы можете подумать, что набирать адрес для IPv6 достаточно сложно. Но к счастью, адреса IPv6 можно сократить, убрав нули. Существует два правила, которых необходимо придерживаться при рассмотрении адреса IPv6. Первое, один набор из четырех следующих друг за другом нулей можно заменить двоеточием, и таким образом у нас останется в адресе лишь два двоеточия, стоящих рядом в результирующем адресе. При применении такого правила наш адрес, представленные в примере выше, будет выглядеть так: 2001:0f68::0000:0000:0000:1986:69af
В примере выше мы смогли убрать лишь один набор нулей, т.к. правило гласит, что в конечном адресе может присутствовать лишь один набор из двух двоеточий. Очевидно, что адрес по-прежнему слишком длинный и его долго набирать. К счастью, второе правило позволяет нам сделать этот адрес еще короче. Второе правило гласит, что лидирующие нули в наборе можно отбросить. Это значить, что если набор из четырех цифр начинается с нуля, то его можно убрать, и тем самым в наборе останется лишь 3 цифры. Если оставшиеся три цифры в наборе снова начинаются с нуля, то этот лидирующий ноль снова можно отбросить. Это процесс можно продолжать снова и снова до тех пор, пока набор начинается с нуля. Очень сложно объяснить этот процесс, поэтому я попытают продемонстрировать его ниже. Я начну с нашего оригинального адреса из примера, а затем применю к нему правило, которое я только что описал.


2001:0f68:0000:0000:0000:0000:1986:69af
2001:f68:000:000:000:000:1986:69af
2001:f68:00:00:00:00:1986:69af
2001:f68:0:0:0:0:1986:69af
2001:f68::1986:69af


Обратите внимание, что в каждой строчке я просто убирал лидирующие нули из каждого набора. Т.к. есть несколько наборов, содержащие все нули, то у меня есть возможность удалить все эти секции и заменить их одним двоеточием. Это стало возможным лишь потому, что все наборы, содержащие нули, располагались друг за другом. Если бы наборы, содержащие все нули были разбросаны, то полностью удился бы лишь один набор нулей (т.к. согласно первому правилу у нас в адресе может быть лишь один набор из двух рядом стоящих двоеточий). Каждый из всех остальных наборов нулей был бы представлен одним нулем.

Использование адресов IPv6 в URL

Хотя с помощью серверов DNS есть возможность доступа к вебсайту с использованием полного квалифицированного доменного названия, а не по IP адресу, по-прежнему стандартной практикой является ввод IP адреса, как части URL. Например, мой личный вебсайт использует URL www.brienposey.com, который соответствует IP адресу 24.235.10.4. Есть возможность получить доступ к моему вебсайту, просто набрав в адресной строке браузера следующий URL: http://24.235.10.4
У более обычных пользователей интернет нет такой привычки, вводить IP адреса вместо полностью квалифицированных доменных имен (fully qualified domain names FQDN). Но, несмотря на это, такая практика все же существует. Это особенно верно для частных Web приложений. Благодаря тому, что такие приложения не имеют полностью квалифицированного доменного названия, гораздо ниже вероятность того, что какой-нибудь злоумышленник случайно наткнется на приложение.
Если IP адрес используется вместо полностью квалифицированного доменного имени, то иногда номер порта (port number) указывается, как часть адреса. Если вы просто введете HTTP://, а дальше адрес, то по умолчанию Web предполагает, что вы хотите использовать порт (port) под номером 80. Однако, вы можете указать любой порт, какой вы захотите, добавив к адресу двоеточие и номер порта. Например, вы хотите получить доступ к сайту www.brienposey.com по IP адресу, а также хотите, чтобы ваше обращение произошло по порту 80, то вы должны ввести следующую команду: http://24.235.10.4:80
Протокол IPv6 protocol также можно использовать в качестве части URL. Если вы подробно посмотрите на формат протокола IPv6, то обратите внимание, что адрес IPv6 address содержит много двоеточий. Это немного проблематично, т.к. обычно ваш браузер (Web browser) считает, что все, что следует за двоеточием – это номер порта (port number). Поэтому адреса IPv6 закрываются квадратными скобками, если они используются в качестве части URL. Например, если вы хотите использовать наш IPv6 адрес из примера в URL, то он будет выглядеть так:
HTTP://[ 2001:0f68:0000:0000:0000:0000:1986:69af]/
Также, как и в случае с протоколом IPv4, вы можете указать номер порта при использовании IPv6 адреса в качестве части URL. Номер порта будет идти в том же самом формате, как и в IPv4, но лишь с одним отличием, он будет следовать сразу за квадратными скобками. Например, если вы хотите обратиться к сайту по нашему адресу IPv6 address из примера по порту 80,то URL будет выглядеть так:
HTTP://[ 2001:0f68:0000:0000:0000:0000:1986:69af]:80/
Обратите внимание, что в этом случае номер порта 80, располагается между закрывающей квадратной скобкой и заключительным слешем (ending slash). Двоеточие используется для того, чтобы отделить номер порта от адреса, как и в протоколе IPv4.

__________

В первой части этой статьи я рассказал о некоторых различиях представления IP адресов в протоколе IPv6, по сравнению с их представлением в протоколе IPv4. В этой статье я хочу продолжить это обсуждение и поговорить об анатомии адреса IPv6, способе разбиения адресов протокола IPv6 на подсети, а также о различных типах адресов IPv6. Если вы знакомы с протоколом IPv4, то вы знаете, что адрес IPv4 состоит из четырех различных октетов данных, каждый из которых отделяется точкой. Часть этого адреса является номером сети, а оставшиеся его биты указывают на конкретный компьютер в этой сети (network). Количество битов, которые отводятся на номер сети и на номер компьютера, меняется и зависит от маски подсети.
Точно также, как и адрес в протоколе IPv4, адрес в протоколе IPv6 разбивается на части. В предыдущей статье, мы узнали, что адреса протокола IPv6 имеют длину 128 байт. Если адрес протокола IPv6 записывается в полном виде, он выражается в виде восьми наборов из четырех номеров, каждый из наборов отделяется двоеточием. Каждый из этих наборов из четырех цифр представляет собой 16 битов данных. Каждые из этих 16 бит имеют свое собственное назначение.
Адрес протокола IPv6 разбивается на три различных части; префикс сайта, идентификатор подсети и идентификатор интрефейса. Эти три компонента идентифицируются положением битов внутри адреса. Первые три поля в адресе протокола IPv6 указывают на префикс сайта. Следующее поле представляет идентификатор подсети, а последние четыре поля используются для указания идентификатор интерфейса.
Префикс сайта аналогичен номеру сети в протоколе IPv4. Это номер, присваиваемый вашему сайту ISP. Обычно, все компьютеры внутри сайта имеют один и тот же префикс сайта. Префикс сайта уникально идентифицирует вашу сеть и обеспечивает доступ к вашей сети из интернет. В отличие префикса сайта, идентификатор подсети является частным, т.к. он является внутренним по отношению к вашей сети. Идентификатор подсети описывает топологию сетевого сайта. Идентификатор сети работает очень похоже на то, как работает разбиение на подсети в протоколе IPv4. Но самое большое различие заключается в том, что эти подсети могут иметь длину 16 байт, и выражаются в шестнадцатиричном формате, а не в десятичном формате, разделенным точками. Подсеть в протоколе IPv6 обычно соответствует основной сети также, как и подсеть в протоколе IPv4.
Идентификатор интерфейса работает аналогично номеру компьютера в протоколе IPv4. Этот номер уникально идентифицирует определенный компьютер в вашей сети. Идентификатор интерфейса (interface ID, который иногда также называют token или жетон) обычно настраивается автоматически в зависимости MAC адреса сетевого интерфейса. Идентификатор интерфейса можно настроить вручную в формате EUI-64.
Для того, чтобы увидеть, как адрес IPv6 разбивается на различные компоненты, давайте посмотрим на следующий адрес:
2001:0f68:0000:0000:0000:0000:1986:69af
Раздел, указывающий на префикс сайта в этом адресе будет: 2001:0f68:0000. Следующее поле, 0000, указывает на идентификатор подсети. Оставшиеся байты (0000:0000:1986:69af) составляют идентификатор интерфейса. Обычно, если выражается префикс, он записывается в специальном формате. Нули сжимаются с помощью трюка, который мы объясняли в предыдущей статье, а дальше через слеш идет номер. Этот номер после слеша отражает количество битов, которые включены в префикс. В ранее приведенном примере, я упоминал, что префикс сайта для адреса 2001:0f68:0000:0000:0000:0000:1986:69af – такой 2001:0f68:0000. Т.к. префикс имеет длину 48 бит, то мы должны добавить /48 в конец, чтобы отразить его по всем правилам. После всех преобразований, префикс будет выглядеть следующим образом: 2001:f68::/48

Типы адресов протокола IPv6

Еще одна уникальная вещь для протокола IPv6 заключается в том, что в действительности существуют три типа адресов IPv6 addresses; однонаправленный (Unicast), широковещательный (Multicast) и альтернативный (anycast). Однонаправленные адреса используются для идентификации определенного компьютера в сети. Широковещательные адреса, в свою очередь идентифицируют группу сетевых интерфейсов, которые обычно располагаются на нескольких компьютерах. Когда пакет данных посылается на широковещательный адрес, то этот пакет посылается на все сетевые интерфейсы в широковещательной группе.
Точно также, как и широковещательные адреса, адреса типа anycast идентифицируют особую группу сетевых интерфейсов, которые обычно располагаются на нескольких компьютерах. Так чем же тогда адрес альтернативного типа отличается от широковещательного адреса? Когда пакеты посылаются на широковещательный адрес, то они посылаются на все сетевые интерфейсы в группе. А когда пакеты данных посылаются на адреса альтернативного типа, то пакеты не посылаются всей группе. Вместо этого они посылаются члену, который имеет самое близкое физическое приближение к отправителю.

Однонаправленные адреса

Ранее, когда я показывал вам формат адреса для протокола IPv6 и рассказывал, для чего используются различные биты, я показал вам пример однонаправленного адреса. Существует два различных типа однонаправленных адресов – глобальный однонаправленный адрес (global unicast addresses) и однонаправленный адрес локальной связи (link local unicast addresses). Как следует из названия, глобальный однонаправленный адрес доступ глобально, в то время как однонаправленный адрес локальной связи доступен только для других компьютеров из этой сети. Формат IP адреса, который я показал вам ранее был примером глобального однонаправленного адреса. Выбрал именного его, т.к. он наиболее часто встречается.
Формат однонаправленного адреса для локальной связи отличается от формата глобального однонаправленного адреса. Длина однонаправленного адреса для локальной связи такая же, как и у глобального однонаправленного адреса и составляет 128 байт. Отличие заключается в байты в нем распределяются по-разному и адрес использует специальный префикс сайта.
В однонаправленном адресе для локальной связи префикс сайта занимает лишь первые 10 битов адреса, а не первые 48 битов, как в случает с глобальным однонаправленным адресом. Префикс сайта, который используется в однонаправленном адресе для локальной связи будет: fe80.
Т.к. префикс сайта стал короче (по сравнению с глобальным однонаправленным адресом), то вы не удивитесь, когда узнаете, что пространство, отведенное под идентификатор подсети, увеличилось с 16 битов до 64 битов. Но что вас может удивить, так это то, что в действительности эти 64 бита не используются. Помните, что IP адрес локальной связи действителен лишь для компьютеров в одной сети. А раз так, то идентификатор подсети не нужен. Поэтому 64 бита адресного пространства, которые зарезервированы под идентификатор подсети, выражаются нулями. Идентификатор интерфейса для однонаправленного адреса для локальной связи имеет длину 54 бита. Идентификатор интерфейса практически всегда получается из 48 битного MAC адреса, который имеет сетевой интерфейс, с которыми связан протокол. Ниже представлен пример однонаправленного адреса для локальной связи:
Fe80:0000:0000:0000:0000:0000:23a1:b152
Конечно, вы очень редко увидите такой адрес, т.к. все лидирующие нули в нем опускаются. Поэтому технически более правильно будет записать этот адрес как:
Fe80::23a1:b152
Когда мы убрали все лидирующие нули из адреса, то он стал очень похож на любой другой адрес протокола IPv6. Помните, что вы можете всегда отличить однонаправленный адрес для локальной связи от любого другого адреса, потому что однонаправленный адрес для локальной связи всегда начинается с fe80.
___________

Широковещательные адреса

Как я объяснил ранее, широковещательные адреса используются для идентификации группы сетевых интерфейсов, известной как широковещательная группа. Эти сетевые интерфейсы обычно располагаются на нескольких компьютерах, но это не является необходимым условием. Широковещательные адреса используются для отправки информации на все сетевые интерфейсы, которые принадлежат широковещательной группе.
Один из самых интересных моментов, касающийся широковещательных адресов, заключается в то, что они не являются взаимно эксклюзивными. Только лишь то, что сетевой интерфейс имеет широковещательный адрес, вовсе не означает, что эта машина не может иметь также однонаправленный адрес или принадлежать к другой широковещательной группе. Очень часто можно столкнуться с ситуацией, когда сетевой интерфейс имеет однонаправленный адрес, и также является членом нескольких широковещательных групп. В действительности, некоторые операционные системы добавляют сетевой интерфейс компьютера в различные широковещательные группы во время настройки однонаправленного адреса этого сетевого интерфейса. Например, операционная система Solaris operating system автоматически добавляет сетевой адаптер в широковещательные группы под названием Solicited Node (требуемый узел) и All Nodes (все узлы) или All Routers (все маршрутизаторы). В том случае, если вы не знакомы с операционной системой Solaris, я объясню, что группа Solicited Node (требуемый узел) используется для обнаружения других устройств в сети, работающих по протоколу IPv6. Операционная система Windows Vista использует подобную функцию.
Теперь, когда я объяснил, для чего используются широковещательные адреса, я хочу рассказать о том, как выглядят широковещательные адреса. Хотя адреса протокола IPv6 имеют длину 128 бит, первые восемь его бит определяют, что это широковещательный адрес. Каждый широковещательный адрес использует префикс формата 1111 1111. Если представить его в шестнадцатиричной форме, то широковещательный адрес всегда начинается с FF.
Следующие четыре бита в широковещательном адресе известны, как флаговые биты. В настоящее время первые три из этих четырех битов не используются (и поэтому равны 0). Четвертый флаговый бит известен, как транзитный бит. Его задача заключается в том, чтобы выразить, является адрес временным или постоянным. Если адрес назначен временно, то это бит равен 0, в противном случае он равен 1, для того чтобы показать, что адрес является транзитным или временным.
Следующие четыре бита в широковещательном адресе известны, как биты границы (Scope ID). Т.к. под биты границы scope ID bits зарезервировано четыре бита, то он может принимать 16 различных значений. Хотя в настоящее время используются не все из этих 16 возможных значений, семь из них используются для задания границ адреса. Например, если адрес имеет глобальные границы, то этот адрес действителен во всем Internet. В настоящее время используются следующие значения бит границы:

Decimal value (десятичное)	Binary Value (двоичное)	Address Scope (граница адреса)
0	0000	Reserved (зарезервировано)
1	0001	Node-Local Scope (внутри узла)
2	0010	Link Local Scope (внутри ссылки)
5	0101	Site Local Scope (внутри сайта)
8	1000	Organization Local Scope (внутри организации)
14	1110	Global Scope (глобальный)
15	1111	Reserved (зарезервировано)

Оставшиеся 112 бит описывают идентификатор группы. Размер идентификатора группы позволяет широковещательным адресам занимать 1/256 всего адресного пространства протокола IPv6.
Для того чтобы вам было более понятно, я хочу показать вам некоторые наиболее часто используемые широковещательные адреса:

FF0x0:0:0:0:0:1

Это широковещательный адрес для всех узлов. Вы должно быть обратили внимание на символ X в адресе, который не является символом шестнадцатиричной системы исчисления. Символ X обозначает интервал. Конкретно этот адрес может использоваться в пределах узла или в пределах ссылки.

FF0x:0:0:0:0:0:2

Этот широковещательный адрес назначен всем маршрутизаторам внутри заданного интервала. И снова, символ X в адресе обозначает интервал. Правильные интервалы в этом случае будут - node local (FF01:0:0:0:0:0:2), Link Local (FF02:0:0:0:0:0:2), и site local (FF05:0:0:0:0:0:2).

Многонаправленные адреса

Если у вас есть некоторый опыт работы с протоколом IPv4 protocol, то вы, вероятно, знаете, что концепция однонаправленных и широковещательных адресов существует и в протоколе IPv4 protocol, хоти и реализована она по-другому. Однако, многонаправленные адреса является нововведением в IPv6. Многонаправленные адреса это как бы объединение однонаправленных и много направленных адресов. Однонаправленные адреса используются для отправки данных особому получателю, широковещательные адреса используются для отправки данных группе получателей, а многонаправленные адреса используются для отправки данных особому получателю из группы получателей.
Если вас это удивляет, то широковещательные адреса были созданы для упрощения баланса загрузки. Представьте себе ситуацию, когда вам необходимо обеспечить большому количеству пользователей доступ к службе или к маршрутизатору. В подобной ситуации, часто имеет смысл использовать несколько серверов для размещения предоставляемой службы, или же использовать несколько маршрутизаторов. Причиной этого является то, что таким образом вы можете распределить нагрузки между несколькими устройствами, и ни одно из конкретно выбранных устройств не будет перегружено.
Такой тип балансировании нагрузки очень сложно осуществить с помощью протокола IPv4 (хотя это и было сделано). С помощью многонаправленных адресов в протоколе IPv6 – это превосходное решение в том случае, если необходимо произвести балансирование нагрузки. Подумайте об этом на минуту. Вам нужно послать запрос пользователя на одно из нескольких устройств. Вы не заботитесь о том, какое из устройств обработает запрос, т.к. запрос сам позаботиться об этом. С помощью многонаправленных адресов каждый запрос автоматически будет послан устройству, которое ближе всего к компьютеру, который послал запрос. В определенных ситуациях, многонаправленные адреса можно использовать для обеспечения отказоустойчивости маршрутизатора. Авария будет обнаружена, и запросы будут переданы другому ближайшему маршрутизатору.
Самое замечательное в многонаправленных адресах заключается в том, что нет никакой специальной схемы адресации. По мере прочтения этой статьи вы узнали обо всех правилах использования и структуре многонаправленных и широковещательных адресов. Все что вам нужно сделать, это создать многонаправленный адрес и присвоить этот адрес нескольким компьютерам. Таким образом однонаправленный адрес станет многонаправленным.