IPv6 编址体系

为什么需要 IPv6

IPv4 有 43 亿个地址，听起来不少，但：

  • 全球 80 亿人口，平均 5 个人分 1 个 IP（还没算手机、冰箱、摄像头）
  • NAT 缓解了枯竭，但破坏了端到端通信（P2P、物联网受限）
  • 路由表爆炸：CIDR 缓解了，但 IPv4 头部设计限制了扩展

IPv6 的地址空间是 128 位，数量是 2^128 ≈ 3.4 × 10³⁸。夸张地说，地球上每粒沙子都能分到几亿个 IPv6 地址。

IPv6 地址表示法

128 位写成二进制太长了，IPv6 采用冒号十六进制：

完整形式：
2001:0DB8:0000:0000:0000:FF00:0042:8329

压缩规则

规则 1：前导零可以省略

2001:0DB8:0000:0000:0000:FF00:0042:8329
→ 2001:DB8:0:0:0:FF00:42:8329

规则 2：连续的全零块可以用 :: 代替，只能出现一次

2001:DB8:0:0:0:FF00:42:8329
→ 2001:DB8::FF00:42:8329

为什么不能出现两次 ::？ 因为解析器无法判断每个 :: 代表几个零块。例如 2001::DB8::1 是非法的，无法确定中间有几个零。

实战例子

完整形式压缩形式
0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001::1（环回地址）
0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000::（未指定地址）
FE80:0000:0000:0000:0202:B3FF:FE1E:8329FE80::202:B3FF:FE1E:8329

IPv6 地址类型

IPv6 取消了广播（Broadcast），改为三种基本类型：

1. 单播（Unicast）：一对一

类型前缀用途类比
Global Unicast2000::/3全球唯一，可路由公网 IP
Link-LocalFE80::/10链路本地，不出网卡小区内部对讲机
Unique-LocalFC00::/7组织内部私有地址公司内部电话
Loopback::1/128本机环回对着镜子说话
Unspecified::/128未指定（DHCP 前临时用）"我还没地址"

Link-Local 详解：

FE80::/10 是 IPv6 的"小区内部号"，只在同一条网线/同一个 Wi-Fi 内有效。即使两台电脑没有路由器、没有公网地址，只要网线直连，就能用 Link-Local 地址互相 ping 通。

每台启用 IPv6 的设备都会自动生成一个 FE80:: 开头的地址，基于 MAC 地址通过 EUI-64 算法生成。

2. 组播（Multicast）：一对多

前缀 FF00::/8，就像微信群发：

  • FF02::1：链路本地所有节点（All Nodes）
  • FF02::2：链路本地所有路由器（All Routers）
  • FF02::1:FFxx:xxxx：请求节点组播（Solicited-Node），用于 NDP 邻居发现

3. 任播（Anycast）：一对最近

任播地址和单播地址格式完全相同，区别在于路由层面：多个服务器宣告相同的前缀，路由器把包发给"最近"（度量最小）的那个。DNS 根服务器 2001:500:: 就是任播部署的。

生活例子：你在北京点麦当劳外卖，系统会自动分配给最近的一家门店，而不是全国随机一家。这就是任播。

EUI-64 接口标识符

IPv6 地址的后 64 位通常是接口标识符（Interface ID）。EUI-64 算法把 48 位 MAC 地址扩展成 64 位：

MAC 地址：00:1A:2B:3C:4D:5E

步骤 1：在中间插入 FF:FE
→ 00:1A:2B:FF:FE:3C:4D:5E

步骤 2：翻转第 7 位（U/L 位）
00 → 00000000 → 翻转第 7 位 → 00000010 → 02

结果：02:1A:2B:FF:FE:3C:4D:5E

完整 Link-Local 地址：
FE80::21A:2BFF:FE3C:4D5E

隐私扩展地址（RFC 4941）

EUI-64 有个隐私问题：你的 IPv6 地址里嵌入了 MAC 地址，走到哪都能被追踪。就像你的身份证号里包含了出生地信息，有心人一看就知道你从哪来的。

隐私扩展（Privacy Extensions）解决了这个问题：

  • 系统除了生成基于 EUI-64 的"稳定地址"外，还会定期生成随机临时地址
  • 对外通信优先使用临时地址，防止被长期追踪
  • 临时地址有过期时间（通常几天到几周）

现代操作系统（Windows 10+、macOS、Linux）默认开启隐私扩展。

IPv4 映射与兼容地址

IPv6 中嵌入 IPv4 地址的两种形式：

类型格式用途
IPv4 兼容地址::192.168.1.1已废弃，不再使用
IPv4 映射地址::FFFF:192.168.1.1IPv6 套接字与 IPv4 节点通信

IPv6 取消了广播，所有"一对多"通信都通过组播实现。单播地址中 Global Unicast 是最常用的公网地址，Link-Local 是自动生成的本地链路地址。

本篇小结

  • IPv6 128 位，冒号十六进制表示，支持前导零省略和 :: 压缩
  • 单播分 Global、Link-Local、Unique-Local；组播以 FF 开头；任播靠路由区分
  • EUI-64 从 MAC 地址生成接口 ID，但存在隐私风险
  • 隐私扩展（RFC 4941）生成临时随机地址，防止追踪
  • ::1 是环回，:: 是未指定，FE80::/10 是链路本地

动手实践

  1. 命令行查看本机 IPv6 地址：

    • Windows：ipconfig /all，找 IPv6 Address 和 Temporary IPv6 Address
    • Linux：ip addr show，找 scope global 和 scope link

  2. 观察你的 Link-Local 地址是否包含你的 MAC 地址信息（对比 ip link 输出的 MAC）

  3. 尝试 ping ::1，验证 IPv6 协议栈是否正常

  4. 访问 https://test-ipv6.com/，测试你的网络是否支持 IPv6