Интернет-протокол IPv6: зачем он нужен и как работает

IPv6, или Internet Protocol шестой версии, — это новейшая версия набора стандартных протоколов сетевого уровня. Его предшественник, IPv4, до сих пор является самым распространённым интернет-протоколом. Зачем же понадобился IPv6 и в чём недостатки IPv4, как работает IPv6 и почему будущее Интернета за ним, рассказываем в нашей статье.

IPv6 VS IPv4

Интернет-протокол четвёртой версии появился более сорока лет назад — в далёком 1981 году. В то время устройств, которым нужно соединяться друг с другом по сети, по нынешним меркам было мало, и казалось, что метод присвоения адресов IPv4 не может стать проблемой: они были 32-битными, то есть всего существовало 2²³ или более 4 миллиардов возможных IP-адресов.

Сейчас, когда у многих есть по несколько точек доступа в сеть (рабочий ПК, домашний ПК и смартфон, сюда же можно добавить различные гаджеты и устройства с выходом в сеть — ту же мультиварку с функцией управления через WiFi), а кроме личных устройств IP-идентификаторы имеют серверы, маршрутизаторы, интернет-ресурсы, это число не кажется заоблачным. Более того, ясно, что адресов протокола IPv4 не хватит всем пользователям.

На эту проблему внимание обратили вскоре после внедрения IPv4, и широкое распространение получили технологии, с помощью которых процесс исчерпания адресного диапазона удалось временно замедлить (NAT, CIDR и другие). Однако принятых мер оказалось недостаточно, и уже в 1992 году IETF объявил конкурс на разработку Internet Protocol следующего поколения. Новая разработка стала считаться шестой версией Internet Protocol (наименование IPv5 было отдано ранее экспериментальной промежуточной версии).

IPv6 решил эту проблему на обозримое будущее. По сравнению с IPv4, длина адреса увеличилась в 4 раза и стала равна 128 битам. Так как используется шестнадцатеричный код, то количество возможных вариантов составляет 340 282 366 920 938 463 463 374 607 431 768 211 456. А это более чем в 10²⁹ раз больше, чем количество, которое обеспечивает предыдущая версия.

Как выглядит IP-адрес IPv6

Как уже было сказано, длина IP-адреса — 128 бит. Его текстовое представление имеет три стандартные формы.

Шестнадцатеричная запись с двоеточиями

Это восемь блоков по 4 шестнадцатеричных символа. В шестнадцатеричной системе используют десять цифр (от 0 до 9) и шесть первых букв латинского алфавита (а=10, b=11, c-12, d=13, e=14, f=15), причем в записи принято использовать буквы нижнего регистра. В целом адрес имеет вид n:n:n:n:n:n:n:n, где каждый блок n — это четырёхзначное число.

Пример записи:

3f7e:ff0f:7654:fe00:1275:b998:3ее0:4ff2

Сжатая запись

Из-за большой длины и огромного количества вариантов пока ещё часто применяются IP-адреса, содержащие много нулей. Их принято упрощать: при написании сжимают повторяющиеся последовательности. Блоки или несколько блоков из одних нулей заменяют двойным двоеточием:

::

Но чтобы избежать разночтений и связанных с ними ошибок, такое сокращение применяют только один раз.

К примеру:

faed:0000:0000:0000:0000:bac8:3a10:4462

сокращённо будет записано как:

faed::bac8:3a10:4462

Адрес обратного цикла:

0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001

в сжатом виде:

::1

Последний блок также сокращён, но об этом правиле расскажем чуть ниже. Незаданный адрес из одних нулей:

0:0:0:0:0:0:0:0

в сжатом виде выглядит как двойное двоеточие:

::

Также для сокращения адреса опускаются нули, стоящие в начале блока. Это значит, что блок «03аd» будет записан как «3аd», а блок «0045» — как «45».

А запись IP-адреса:

2004:0ab8:0000:41e9:000a:c369:0f8a:0f00

в соответствии с этим правилом:

2004:ab8:0:41e9:a:c369:f8a:f00

Смешанная запись

Эта форма записи содержит IP-адреса IPv4 и IPv6. Адрес принимает вид n:n:n:n:n:n:х.х.х.х, в котором каждый блок, или элемент, «n» — это значения шести блоков IPv6, а каждый блок «х» является значением IPv4.

Другие правила записи IPv6-адреса

В текстовой записи должны применяться только латинские символы нижнего регистра, а употребления символов верхнего регистра нужно избегать.

Если IPv6-адрес прописывается в адресной строке браузера, то его заключают в квадратные скобки. К примеру:

https://[3001:dff8::aee9:ff:c260:8af:b000]

Если в URL нужно добавить номер порта, то его выносят за квадратные скобки и пишут после двоеточия:

https://[3001:dff8::aee9:ff:c260:8af:b000]:423

Какие типы адресов бывают

В первых битах адреса зашифрован его тип. Поле с данными о типе адреса называется префиксом формата (обозначение — FP) и имеет переменную длину.

Например, IP-адрес, состоящий из префикса и идентификатора интерфейса, может иметь вид:

ipv6-address/длина-префикса

То есть в адресе 3afe:fcff:0:ad30:0:0:0:0/64 содержится 64-разрядный префикс (его длина указана после косой черты) или 3afe:fcff:0:ad30.

Одноадресный или Unicast

Идентификатор для одного интерфейса. Пакеты данных, отправленные на Unicast, будут доставлены на определённый интерфейс. Этот тип имеет три подтипа:

локальный адрес ссылки, или Link Local;
локальный адрес узла, или Unique Local (принадлежит локальному узлу, не требует глобального префикса);
глобальный публичный адрес одноадресной рассылки IPv6, или Global.

Тип многоадресной рассылки или Multicast

Применяется для рассылки по нескольким адресам (является заменой типа Broadcast в IPv4).

Тип Anycast

Такой тип может быть присвоен нескольким узлам одновременно. Данные, отправленные по anycast-адресу доставляются только до ближайшего интерфейса.

Структура пакета данных IPv6

Пакет по протоколу IPv6 включает в себя заголовок, или метаданные, и собственно данные, предназначенные получателю.

По сравнению с IPv4 заголовок стал длиннее в два раза (40 бит), в нём содержится вся нужная для маршрутизации информация:

Версия протокола. Для IPv6 это число 0110, записанное в двоичной системе, что соответствует 6 в десятичной.
Класс, обозначающий приоритетность пакета. Его длина восемь бит, шесть их них обозначают класс пакета, а с помощью оставшихся двух контролируется перегрузка.
Метка потока, содержащая данные о последовательности, в которой передаются пакеты и о способе их обработки.
Длина полезной нагрузки.
Тип расширенного заголовка.
Предельное количество шагов, аналогичное TTL.
По 128 бит в заголовке занимают адресные поля (идентификаторы отправителя и получателя).

Хотя IP шестой версии имеет ряд очевидных преимуществ перед протоколом четвёртой версии, быстрый повсеместный переход не него невозможен. Но постепенно, по мере модернизации программно-технической базы, пользователи всё шире будут переходить на IPv6.

Читайте полезные статьи: