IPv4 与 IPv6 综合对比

0. 课件来源（NewHCIP）

5.17 ipv4和ipv6.pdf

1. IPv4 地址回顾

1.1 地址表示

IPv4 地址是 32位 二进制数，通常用点分十进制表示：

二进制：11000000 00000000 00000000 00000001
十进制：128.0.0.1

1.2 地址分类（有类地址）

类别	二进制前缀	地址范围	用途
A类	0xxxxxxx	1.0.0.0 - 126.255.255.255	大型网络
B类	10xxxxxx	128.0.0.0 - 191.255.255.255	中型网络
C类	110xxxxx	192.0.0.0 - 223.255.255.255	小型网络
D类	1110xxxx	224.0.0.0 - 239.255.255.255	组播
E类	1111xxxx	240.0.0.0 - 255.255.255.255	保留

1.3 特殊地址

地址	用途
0.0.0.0	未分配
255.255.255.255	广播地址
127.0.0.0/8	本地回环
169.254.0.0/16	链路本地（APIPA）

1.4 无类地址（CIDR）

CIDR（Classless Inter-Domain Routing）使用可变长子网掩码（VLSM）：

/24、/25、/26、/27

VLSM（可变长子网掩码）：把网络不断分割，变小

Supernet（超网）：把子网不断聚合，变大

减少路由表条目
减少路由协议更新

1.5 IPv4 地址的拓扑含义

IPv4 地址是 网络与拓扑的融合：

Interface g0/0/0
Ip add 1.1.1.1/24

含义1：1.1.1.0/24 的网段 → 目的网段
含义2：1.1.1.1 是 1.1.1.0/24 的一个节点 → 标识节点

路由表示例：

Destination/Mask    Proto   Pre  Cost  Flags  NextHop      Interface
3.3.3.0/24         Direct  0     0     D       1.1.1.1      g0/0/0

2. IPv6 地址详解

2.1 地址表示

IPv6 地址是 128位，分为 8 段，每段 16 位（4 个十六进制）：

冒号分十六进制：
2001:0001:0000:0000:f000:0000:0000:0000

2.1.1 IPv6 特殊地址（常见）

地址/前缀	含义
`::/128`	未指定地址（Unspecified）
`::1/128`	本地回环（Loopback）
`fe80::/10`	链路本地（Link-Local）

2.2 地址简化规则

规则1：首部的 0 可以省略，尾部的 0 不能省略

2001:0001:0000:0000:f000:0000:0000:0000
↓
2001:1:0:0:f000:0:0:0

规则2：连续的 0 可以用 "::" 来表示

2001:1:0:0:f000:0:0:0
↓
2001:1:0:0:f000::

注意："::" 不能出现 2 次，否则会产生歧义。

2.3 IPv6 地址分类

2.3.1 单播地址（Unicast）

1. 全球可聚合单播地址（AGUA）：2000::/3

0010 0000 0000 0000 = 2000
0011 1111 1111 1111 = 3fff

用于唯一标识接口和设备。

2. 链路本地地址（Link-Local）：fe80::/10

Interface g0/0/0
Ipv6 enable
Ipv6 address 2001::1/64
Ipv6 address 2004::1/64
Ipv6 address 2005::11/64

含义：2001::/64 这个网段链接 g0/0/0
路由：2001::/64、2004::/64、2005::/64 都是直连路由

Ipv6 address fe80::1 link-local

含义：在本链路的一个唯一标识节点
OSPFv3：通过链路本地建立邻居，对端计算 OSPFv3 的路由

O 3333::/64 via fe80::1

优点：

业务和拓扑无关，一旦业务故障，不会影响拓扑
节省地址

3. 唯一本地地址（Unique Local）：私网地址（隔离）

原来：fec0::/10（RFC 3513）
- 站点本地，区分与 global 地址，达到隔离效果
- 问题：与 IPv4 的私网地址一样，A 公司用 fec0::1/64，B 公司也用 fec0::1/64，一旦互访，地址冲突
改成唯一本地地址：fc00::/7（RFC 4193）
- 在唯一本地地址中，新增 global-id，40 位

2.3.2 组播地址（Multicast）

包含广播，ARP 就没有了。

格式：FFAB::/16

A: flag 标志位

0：永久
1：临时

B: scope 范围

1：node
2：link
4：management
5：site
8：organization
E：global

常见组播地址：

地址	说明
FF02::1	永久本链路的所有主机
FF02::2	永久本链路的所有路由器
FF02::5	永久本链路的 OSPFv3 设备
FF02::6	永久本链路的 OSPFv3 DR/BDR

请求节点地址（Solicited Node）：

FF02::1:FFxx:xxxx

xx:xxxx（24bit）：copy from IPv6 单播地址后 24bit

举例：

2001:10:1:12::2 → 后 24bit = 00:0002 → FF02::1:FF00:2
2011:172:16:1::2 → 后 24bit = 00:0002 → FF02::1:FF00:2
2001:10:1:12::3 → 后 24bit = 00:0003 → FF02::1:FF00:3

因为上述两个地址加入同一个请求节点组播地址。

2.3.3 任播地址（Anycast）

用于移动互联，就近原则。多个设备共享同一个地址块，多个设备共享一个地址。

特点：

不进行 DAD（重复地址检测）
不能作为源地址，只能作为目的地址

配置示例：

Interface g0/0/0
Ipv6 enable
Ipv6 address 2001:172:16:12::1/64
Ipv6 address 2001:172:16:12::1/64 anycast

2.4 IPv6 地址配置

2.4.1 EUI-64 地址生成

EUI-64 如何产生：MAC 地址中间插入 "FFFE"

举例：

MAC 地址：00e0-fcc5-6be9 = EUI-48
在中间插入 FFFE：
00e0-fcFFFE c5-6be9
||
00E0:FCFF:FEC5:6BE9

MAC 地址是全球唯一，如果被用于 EUI-64，性质发生改变，LG 位要进行相应的变化：

第六位 LG 从原来 0000 0000 → LG=0（global 全球唯一）
第六位 LG 变为 0000 0010 → LG=1（link administrative）

2.4.2 Link-Local 地址修改

Interface g0/0/0
Ipv6 address fe80::1 link-local  # 修改 link-local 地址

2.4.3 自动生成 Link-Local 地址

Interface g0/0/0
Ipv6 address auto link-local  # 自动生成 link-local 地址

2.4.4 手工指定 Link-Local 地址

Interface g0/0/0
Ipv6 address fe80::1 link-local  # 手工指定 link-local 地址

2.4.5 IPv6 地址配置总结

Ipv6
#
Interface g0/0/0
Ipv6 enable
Ipv6 address 2001:10:1:12::1/64
Ipv6 address 2003::/64 eui-64      # 产生 global 地址
Ipv6 address fe80::1 link-local       # 产生 link-local 地址

或者：

Ipv6 address auto link-local  # 自动生成

2.5 IPv6 地址部署

Ipv6
#
Interface g0/0/0
Ipv6 enable
Ipv6 address 2001:172:16:12::1/64
Ipv6 address 2001:172:16:12::/64 eui-64  # 通过 EUI-64 构建单播地址
Ipv6 address auto link-local  # 自动形成 IPv6 link-local
Ipv6 address fe80::1 link-local  # 手工指定 IPv6 link-local
Ipv6 address 2001:172:16:12::1/64 anycast  # 指定任播地址
Ipv6 address auto dhcp
Ipv6 address auto global

3. NDP 邻居发现协议

3.1 NDP 报文类型

NDP（Neighbor Discovery Protocol）借助 ICMPv6 报文中新增报文：

Type	名称	功能
133	RS (Router Solicitation)	路由器请求
134	RA (Router Advertisement)	路由器通告
135	NS (Neighbor Solicitation)	邻居请求
136	NA (Neighbor Advertisement)	邻居回复
137	Redirect	重定向

3.2 NDP 功能

DAD：单播地址冲突检测
ND：邻居发现
Autoconfiguration：自动配置
MTU Path Discovery：MTU 发现
Redirect：重定向

3.3 IPv6 重复地址检测（DAD）

IPv4 重复地址检测：免费 ARP

免费 ARP-Request：

arp-request | smac AR1 dmac FFFFFFFFF
Sender mac AR1
sender ip 10.1.12.1
Target mac 000000000000
Target ip 10.1.12.1

对方没有回复：没有冲突
对方发现地址冲突，回复 arp-reply，报警日志地址冲突

IPv6 重复地址检测：ICMPv6 报文

Type 135：NS（邻居请求）Type 136：NA（邻居回复）

接口配置任何 IPv6 单播地址都要进行重复地址检测。

3.3.1 Link-Local 地址 DAD

当接口 up 之后，link-local IPv6 地址变成"试验地址" [tentative]：

Fe80::1 发送 NS Type 135
Sip = ::
Dip = 自己 link-local 地址的请求节点地址 (FF02::1:FF00:1)
携带 target ipv6 地址：fe80::1

如果没有冲突，不回应，去掉标识变成 IPv6 地址，可以转发
如果有冲突，回复 NA Type 136

NA Type 136
Sip = 冲突 IPv6 link-local 地址
Dip = FF02::1 (本链路所有主机)

本端收到 NS Type 136 NA，接口标识从 [tentative] → [duplicate]

3.3.2 Global 地址 DAD

进行完毕 link-local 地址的 DAD 以后，再逐个进行 global 地址的 DAD。

3.4 邻居发现（ND）

IPv4 邻居发现（ARP）：

发送 arp-request
smac AR1 dmac FFFFFFFFF (广播)
Sender mac AR1
Sender ip 10.1.12.1
Target mac 000000000000
Target ip 10.1.12.2

AR2 收到 arp-request 检查 target ip：

如果不是接口 IP，忽略
如果是，更新 ARP 表
回复 arp-reply

arp-reply | smac AR2 dmac AR1 (单播)
Sender mac AR2
Sender ip 10.1.12.2
Target mac AR1
Target ip 10.1.12.1

AR1 收到 arp-reply 更新 ARP 表。

IPv6 邻居发现（NDP）：

ping ipv6 fe80::2

查询 IPv6 路由表，有路由转发
封装：ICMPv6 echo-request | sip fe80::1 dip fe80::2 | smac AR1 dmac ?
查询 NDP，发现没有，发起 NS Type 135

NS | sip fe80::1 dip FF02::1:FF00:2 (对方的) | smac AR1 dmac 组播
ipv6 target address：fe80::2
ICMPv6 option: source mac address AR1

AR2 收到以太帧，检查 DMAC：

If DMAC 不是接口侦听的组播 MAC，then 丢弃
Else 接受，检查 target IPv6 address 是否是接口 IPv6 地址
- If 不是接口地址，then 不回复
- Else 收到，更新 NDP 表，回复 NA Type 136

NA | sip fe80::2 dip fe80::1 | smac AR2 dmac AR1
ipv6 target address：fe80::2
ICMPv6 option: target mac address AR2

AR1 收到以太帧，检查 DMAC：

If DMAC 不是接口 MAC 地址，then 丢弃
Else 接受，更新 NDP 表

3.5 邻居不可达检测

下面以 A、B 两个邻居节点之间相互通信过程中 A 节点的邻居状态变化为例（假设 A、B 之前从未通信），说明邻居状态迁移的过程。

邻居状态迁移过程：

A 先发送 NS 报文，并生成缓存条目，此时邻居状态为 Incomplete
若 B 回复 NA 报文，则邻居状态由 Incomplete 变为 Reachable，否则固定时间后邻居状态由 Incomplete 变为 Empty，即删除表项
经过邻居可达时间 30 秒，邻居状态由 Reachable 变为 Stale，即未知是否可达
在 Reachable 状态，A 收到 B 的非请求 NA 报文，且报文中携带的 B 的链路层地址和表项中不同，则邻居状态马上变为 Stale
在 Stale 状态若 A 要向 B 发送数据，则邻居状态由 Stale 变为 Delay
在经过 5 秒后，邻居状态由 Delay 变为 Probe，则发送 NS 请求，其 3 秒有 NA 应答，则邻居状态由 Delay 变为 Reachable
在 Probe 状态，A 每隔一定时间间隔发送单播 NS，发送固定次数后，有应答则邻居状态变为 Reachable，否则邻居状态变为 Empty，即删除表项

4. IPv6 自动配置

4.1 无状态自动配置（Stateless Autoconfiguration）

ICMPv6 Type 133：RSICMPv6 Type 134：RA：Router Advertisement（路由器通告）

AR1 g0/0/0 (client) → g0/0/0 AR2 (server)

AR2 配置：

Interface g0/0/0
undo ipv6 nd ra halt  # 使能 IPv6 RA 的功能

周期性（200-600 秒）发送 RA 报文：

Sip：本接口 link-local 地址
Dip：FF02::1 (本链路所有主机)
flag 字段 live：1800
ICMPv6 option: source mac address：AR1
ICMPv6 option: prefix information：2001:10:1:12::/64
Preferer timer: 7天：可以用于 sip/dip，收发
Valid timer：30天：只能用于 dip，收

AR1 收到 RA，把 RA 中的 prefix + EUI-64，自动生成接口 IPv6 global 地址和 link-local 地址。AR1 分别对 link-local 和 global 进行 DAD。

问题：AR2 是周期性发送 RA，万一 AR1 刚启动，AR2 已经发送 RA，那么 AR1 获取地址就需要等待了。

解决方案：触发更新

AR1 刚启动，不会等待 AR2 的 RA 报文，自主发送 RS：

RS：router solicitation，触发更新
Sip：接口 link-local 地址
Dip：FF02::1 本链路所有主机
ICMPv6 option: source mac address：AR1

AR2 收到 AR1 RS，不会等待周期，立即回复 RA。AR1 收到 RA，自动生成 global 地址和 link-local 地址。

配置示例：

AR1：
Interface g0/0/0
Ipv6 enable
Ipv6 address auto global

4.2 有状态自动配置（Stateful Autoconfiguration）：DHCPv6

无状态：可以获取 IPv6 地址、掩码、网关，甚至 DNS

无法获取：额外的信息（DNS、NIS...）

有状态：可以获取 IPv6 地址、掩码（/128），但是没有网关，不能实现网络互访

通过有状态能获取额外信息：DNS、SIP、NIS...

最佳实践：DHCPv6 无状态

问题：如何控制有状态和无状态分配相应信息？

通过 RA 中 flag 字段：

M（Managed）对应获取 IPv6 地址、掩码、网关用于网络互联 = 无状态
O（Other）对应获取额外信息（dns、sip、NIS...）== 有状态 DHCPv6

配置示例：

AR2（DHCPv6 Server）：

dhcp enable  # 使能 DHCP 功能
#
dhcpv6 pool A  # 创建 DHCPv6 地址池 A
address prefix 3FFF::/64
dns-server 3FFF::1
#
Interface g0/0/0
Dhcpv6 server A

AR1（DHCPv6 Client）：

Dhcp enable
#
Interface g0/0/0
Ipv6 address auto dhcp

问题：

无状态：实现 IPv6 地址、掩码、网关，实现网络互访
有状态：实现 IPv6 地址、掩码（/128），但是没有网关，不能实现网络互访

通过有状态能获取额外信息：DNS、SIP、NIS...

最佳实践：DHCPv6 无状态

控制方式：通过 RA 中 flag 字段

Management 对应获取 IPv6 地址、掩码、网关用于网络互联 = 无状态
Other 对应获取额外信息（dns、sip、NIS...）== 有状态 DHCPv6

配置：

AR2：
dhcp enable  # 使能 DHCP 功能
#
dhcpv6 pool A  # 创建 DHCPv6 地址池 A
address prefix 3FFF::/64
dns-server 3FFF::1
#
Interface g0/0/0
Dhcpv6 server A  # 使能 DHCPv6 server
ipv6 nd autoconfig other-flag  # O 置位 = 1 other 有状态
                               # M 置位 = 0 M 无状态

注意：默认 M 和 O 都是 0，说明全部无状态。如果 M 和 O 都是 1，说明全部有状态。

AR1：

Interface g0/0/0
dhcpv6 client information-request  # DHCPv6 无状态使能
Ipv6 address auto global default  # IPv6 无状态使能，形成默认路由

DHCPv6 Server 支持 4-way 和 2-way：

当 DHCPv6 server 有多台的时候，建议默认是 4-way：用于选择一台 server，拒绝其他 server

client：              server
Dhcpv6 solicit
Dhcpv6 advertise
Dhcpv6 request
Dhcpv6 reply

当 DHCPv6 server 有且只有一台，为了降低资源消耗，修改为 2-way

client：              server
Dhcpv6 solicit
Dhcpv6 reply

配置：

AR2：
Interface g0/0/0
Dhcpv6 server A rapid-commit

AR1：

Interface g0/0/0
ipv6 address auto dhcp rapid-commit

5. IPv4 与 IPv6 对比总结

特性	IPv4	IPv6
地址长度	32 位	128 位
地址表示	点分十进制	冒号分十六进制
地址空间	2³² ≈ 43 亿	2¹²⁸ ≈ 3.4×10³⁸
地址分类	有类/无类	无类
特殊地址	0.0.0.0、127.0.0.0/8 等	::/128、::1/128 等
广播	支持	不支持（用组播代替）
ARP	ARP 协议	NDP 协议
地址解析	ARP Request/Reply	NS/NA
重复地址检测	免费 ARP	ICMPv6 NS/NA
自动配置	DHCPv4	SLAAC + DHCPv6
地址与拓扑	融合	分离
MTU	最小 68 字节	最小 1280 字节
头部大小	20 字节	40 字节

6. 拓扑图

6.1 IPv4 网络拓扑

☁️Internet

🌐

Router

Network 1

1.1.1.0/24

Network 2

2.2.2.0/24

Network 3

3.3.3.0/24

6.2 IPv6 网络拓扑

☁️Internet

🌐

Router

fe80::1

2001::1/64

Network 1

2001:1::/64

fe80::1/10

Network 2

2001:2::/64

fe80::1/10

Network 3

2001:3::/64

fe80::1/10

7. 报文结构

7.1 IPv4 报文结构

IPv4 Header (20-60 bytes)

Version

4 bits

IHL

4 bits

Type of Service

8 bits

Total Length

16 bits

Identification

16 bits

Flags

3 bits

Fragment Offset

13 bits

Time to Live

8 bits

Protocol

8 bits

Header Checksum

16 bits

Source Address

32 bits

Destination Address

32 bits

Options + Padding

0-40 bits

7.2 IPv6 报文结构

IPv6 Header (40 bytes)

Version

4 bits

Traffic Class

8 bits

Flow Label

20 bits

Payload Length

16 bits

Next Header

8 bits

Hop Limit

8 bits

Source Address

128 bits

Destination Address

128 bits

7.3 ICMPv6 报文结构

 0                   1                   2                   3
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|     Type      |     Code     |          Checksum              |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
|                                                               |
+                        Message Body                             +
|                                                               |
+---------------------------------------------------------------+

常见 Type 值：

128：Echo Request
129：Echo Reply
133：Router Solicitation (RS)
134：Router Advertisement (RA)
135：Neighbor Solicitation (NS)
136：Neighbor Advertisement (NA)
137：Redirect

IPv4 与 IPv6 综合对比 ​

0. 课件来源（NewHCIP） ​

1. IPv4 地址回顾 ​

1.1 地址表示 ​

1.2 地址分类（有类地址） ​

1.3 特殊地址 ​

1.4 无类地址（CIDR） ​

1.5 IPv4 地址的拓扑含义 ​

2. IPv6 地址详解 ​

2.1 地址表示 ​

2.1.1 IPv6 特殊地址（常见） ​

2.2 地址简化规则 ​

2.3 IPv6 地址分类 ​

2.3.1 单播地址（Unicast） ​

2.3.2 组播地址（Multicast） ​

2.3.3 任播地址（Anycast） ​

2.4 IPv6 地址配置 ​

2.4.1 EUI-64 地址生成 ​

2.4.2 Link-Local 地址修改 ​

2.4.3 自动生成 Link-Local 地址 ​

2.4.4 手工指定 Link-Local 地址 ​

2.4.5 IPv6 地址配置总结 ​

2.5 IPv6 地址部署 ​

3. NDP 邻居发现协议 ​

3.1 NDP 报文类型 ​

3.2 NDP 功能 ​

3.3 IPv6 重复地址检测（DAD） ​

3.3.1 Link-Local 地址 DAD ​

3.3.2 Global 地址 DAD ​

3.4 邻居发现（ND） ​

3.5 邻居不可达检测 ​

4. IPv6 自动配置 ​

4.1 无状态自动配置（Stateless Autoconfiguration） ​

4.2 有状态自动配置（Stateful Autoconfiguration）：DHCPv6 ​

5. IPv4 与 IPv6 对比总结 ​

6. 拓扑图 ​

6.1 IPv4 网络拓扑 ​

6.2 IPv6 网络拓扑 ​

7. 报文结构 ​

7.1 IPv4 报文结构 ​

7.2 IPv6 报文结构 ​

7.3 ICMPv6 报文结构 ​

IPv4 与 IPv6 综合对比

0. 课件来源（NewHCIP）

1. IPv4 地址回顾

1.1 地址表示

1.2 地址分类（有类地址）

1.3 特殊地址

1.4 无类地址（CIDR）

1.5 IPv4 地址的拓扑含义

2. IPv6 地址详解

2.1 地址表示

2.1.1 IPv6 特殊地址（常见）

2.2 地址简化规则

2.3 IPv6 地址分类

2.3.1 单播地址（Unicast）

2.3.2 组播地址（Multicast）

2.3.3 任播地址（Anycast）

2.4 IPv6 地址配置

2.4.1 EUI-64 地址生成

2.4.2 Link-Local 地址修改

2.4.3 自动生成 Link-Local 地址

2.4.4 手工指定 Link-Local 地址

2.4.5 IPv6 地址配置总结

2.5 IPv6 地址部署

3. NDP 邻居发现协议

3.1 NDP 报文类型

3.2 NDP 功能

3.3 IPv6 重复地址检测（DAD）

3.3.1 Link-Local 地址 DAD

3.3.2 Global 地址 DAD

3.4 邻居发现（ND）

3.5 邻居不可达检测

4. IPv6 自动配置

4.1 无状态自动配置（Stateless Autoconfiguration）

4.2 有状态自动配置（Stateful Autoconfiguration）：DHCPv6

5. IPv4 与 IPv6 对比总结

6. 拓扑图

6.1 IPv4 网络拓扑

6.2 IPv6 网络拓扑

7. 报文结构

7.1 IPv4 报文结构

7.2 IPv6 报文结构

7.3 ICMPv6 报文结构