IPv6基础：地址格式、报文结构与常见地址类型详解

前言

20世纪80年代，IETF（Internet Engineering Task Force，因特网工程任务组）发布 RFC 791，即 IPv4 协议，标志着 IPv4 正式标准化。在此后的几十年间，IPv4 协议成为最主流的网络层协议之一。无数人在 IPv4 的基础上开发出了各种应用，并且对这个协议做了各种补充和增强，支撑起了今天繁荣的互联网。然而，随着互联网规模越来越大，以及 5G、物联网等新兴技术的发展，IPv4 面临的挑战越来越多，IPv6 取代 IPv4 势在必行。

这篇文章按数据通信的学习脉络，把 IPv6 的报文结构、地址格式、地址类型和地址配置流程串成一条线，既可以当成入门笔记顺着读，也可以当成考前复习的提纲按节跳读。

IPv6概述

IPv6（Internet Protocol version 6，互联网协议第 6 版）是 IETF 设计的下一代网络层协议。它并不是在 IPv4 上打补丁，而是重新设计了地址长度、报文格式和地址配置方式：用 128 bit 地址解决地址耗尽，用扩展包头代替选项字段，用 SLAAC 和 DHCPv6 代替 DHCP 和手工配置。

IPv4现状

2011年2月3日，IANA（Internet Assigned Numbers Authority，因特网地址分配组织）宣布将手中最后 5 个 A 类地址块（每个 /8 约 1677 万个地址，合计约 8388 万个地址）平均分配给全球 5 个 RIR（Regional Internet Registry，区域互联网注册管理机构），此后 IANA 再没有可分配的 IPv4 地址。

地址耗尽只是问题的一面。IPv4 在设计之初并没有考虑今天这样的网络规模，路由表膨胀、NAT 破坏端到端通信、广播报文占用链路带宽、报文头选项处理效率低等问题，随着网络规模扩大而不断放大。这些问题共同推动了 IPv6 的诞生。

IPv6优势

近乎“无限”的地址空间：地址长度为 128 bit，可以提供约 3.4×10³⁸ 个地址，海量的地址空间满足物联网等新兴业务的需求，也有利于业务演进及扩展。
层次化的地址结构：相较于 IPv4 地址，IPv6 地址的分配更加规范，利于路由聚合（缩减 IPv6 路由表规模）和路由快速查询。
即插即用：IPv6 支持无状态地址自动配置（SLAAC），终端接入更简单，不需要依赖额外的服务器。
简化的报文头部：基本包头固定为 40 字节，去掉了校验和与选项字段，转发效率更高；新功能通过扩展包头支持，利于路由器等网络设备的转发处理，降低投资成本。
安全特性：IPsec、真实源地址认证等机制保证端到端安全；地址空间充足，也避免了 NAT 破坏端到端通信完整性带来的问题。
移动性：对移动网络的实时通信有较大改进，整个移动网络的性能有比较明显的提升。
增强的 QoS 特性：额外定义了流标签（Flow Label）字段，可为应用程序或者终端所用，针对特殊的服务和数据流分配特定的资源。

IPv4 与 IPv6 关键差异

对比项	IPv4	IPv6
地址长度	32 bit，约 43 亿个	128 bit，约 3.4×10³⁸ 个
书写方式	点分十进制，如 192.168.1.1	冒号分隔的十六进制，可用 `::` 缩写
报文头	20 字节固定头 + 可选项 + 校验和	40 字节固定头 + 扩展包头，无校验和
地址配置	手工配置 / DHCP	手工配置 / SLAAC / DHCPv6
地址类型	单播、组播、广播	单播、组播、任播（取消广播）
分片	源端和沿途路由器都可以分片	仅源端分片，中间设备不处理
端到端	大量依赖 NAT	端到端直达，NAT 不再是必需品

IPv6报文结构

IPv6 包头由一个 IPv6 基本包头（必须存在）和多个扩展包头（可能不存在）组成。基本包头提供报文转发的基本信息，会被转发路径上的所有设备解析；扩展包头则是可选的，按需插入，通常只由目的节点解析。

IPv6基本包头

IPv6 基本包头固定为 40 字节，字段比 IPv4 精简得多，也没有校验和字段。

版本（Version）：4 bit，值为 6。
流量类别（Traffic Class）：8 bit，作用类似于 IPv4 的 TOS 字段，用于区分业务优先级，支持 DiffServ 等 QoS 机制。
流标签（Flow Label）：20 bit，用来标识属于同一条业务流的一系列报文，中间设备可以据此对特定流做统一处理。
载荷长度（Payload Length）：16 bit，表示基本包头之后的字节数（包含所有扩展包头和上层数据），最大 65535 字节。
下一个头（Next Header）：8 bit，指明紧跟在基本包头之后的是哪种扩展包头或上层协议，例如 TCP 为 6、UDP 为 17、ICMPv6 为 58、无扩展包头且没有上层数据时为 59。
跳数限制（Hop Limit）：8 bit，每经过一台设备减 1，减到 0 就丢弃报文并回送 ICMPv6 差错报文，作用等同于 IPv4 的 TTL。
源地址 / 目的地址：各 128 bit。

IPv6扩展包头

IPv4 把各种可选功能塞进选项字段，导致路由器必须按长度字段反复解析，效率很低。IPv6 的做法是把这些功能拆成一个个独立的扩展包头，靠“下一个头”字段串成一条链，设备只解析自己需要关心的部分，转发性能因此提升。

常见的扩展包头，以及 RFC 8200 建议的排列顺序如下：

逐跳选项包头（Hop-by-Hop Options）：必须紧跟基本包头，沿途每台设备都要处理。
目的选项包头（Destination Options）：由目的节点处理，也可以放在路由包头之后，交给最终目的节点处理。
路由包头（Routing）：指定报文需要经过的中间节点。
分片包头（Fragment）：只在源端分片时出现。
认证包头（AH）和封装安全载荷（ESP）：IPsec 使用的两种安全扩展包头。
上层协议头：TCP、UDP、ICMPv6 等。

IPv6报文处理机制

IPv6 报文的处理可以按参与节点的角色分开看：

源节点：按业务需要组织扩展包头，完成分片（如果需要），再把报文发给下一跳。
转发节点（路由器）：只解析基本包头和必须处理的扩展包头（主要是逐跳选项包头），然后按目的地址查表转发，不改动其余扩展包头，也不做分片。
目的节点：逐级解析整条扩展包头链，最终把数据交给上层协议处理。

IPv6地址

IPv6地址格式

IPv6 地址的长度为 128 bit。一般用冒号分割为 8 段，每一段 16 bit，每一段内用十六进制表示，字母不区分大小写。

与 IPv4 地址类似，IPv6 也用“IPv6 地址/掩码长度”的方式来表示 IPv6 地址，例如：2001:0DB8:2345:CD30:1230:4567:89AB:CDEF/64。其中前 64 bit 是网络前缀，后 64 bit 是接口标识。

IPv6 地址：2001:0DB8:2345:CD30:1230:4567:89AB:CDEF
子网号：2001:0DB8:2345:CD30::/64

此外还有几个特殊地址需要记住：未指定地址 ::/128（相当于 IPv4 的 0.0.0.0，不能作为目的地址使用）、环回地址 ::1/128（相当于 127.0.0.1）。IPv6 中没有广播地址，需要“一对多”时统一使用组播。

IPv6地址缩写规范

每组 16 bit 单元中的前导 0 可以省略；但如果某组的所有比特都为 0，至少要保留一个“0”字符。末尾的 0 不能被省略。
一个或多个连续的、全为 0 的 16 bit 单元，可以用“::”表示，但整个 IPv6 地址的缩写中只允许出现一个“::”。
若缩写后出现两个“::”，就无法判断每一处各压缩了多少个 0，地址将无法还原为原始的 IPv6 地址。

举两个例子，能更快记住这套规则：

2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:0000:0001 → 先省略前导 0 得到 2001:db8:0:0:0:0:0:1，再用 :: 压缩连续的全 0 段，最终写作 2001:db8::1。
FE80:0000:0000:0000:0203:FFFF:FE00:0001 → 缩写为 FE80::203:FFFF:FE00:1，注意 FFFF 和 FE00 末尾的 0 不能省略。

IPv6地址分类

根据 IPv6 地址前缀，可将 IPv6 地址分为单播地址、组播地址和任播地址。IPv6 取消了广播地址，原本由广播承担的“一对多”通信，全部交给组播来完成。

IPv6单播地址结构

一个 IPv6 单播地址可以分为如下两部分：

网络前缀（Network Prefix）：n bit，相当于 IPv4 地址中的网络 ID。
接口标识（Interface Identifier）：（128-n）bit，相当于 IPv4 地址中的主机 ID。

常见的 IPv6 单播地址，如全球单播地址、链路本地地址等，要求网络前缀和接口标识必须为 64 bit。这样划分的好处是：上游或网络前缀发生变化时，接口标识可以保持不变，主机的重编号和身份识别都更简单。

IPv6单播地址接口标识

接口标识可通过三种方法生成：

手工配置
系统自动生成
通过 IEEE EUI-64 规范生成

其中 EUI-64 规范最为常用，此规范将接口的 MAC 地址转换为 IPv6 接口标识：把 48 bit 的 MAC 地址从中间劈开，插入 16 bit 的 FFFE，再把第一个字节的第 7 位（U/L 位）取反，凑成 64 bit。也正因为接口标识可以由 MAC 地址推导，IPv6 的地址扫描和隐私问题更受关注，很多终端因此启用了随机生成的临时地址。

IPv6常见单播地址 - GUA

GUA（Global Unicast Address，全球单播地址），也被称为可聚合全球单播地址。该类地址全球唯一，用于需要有互联网访问需求的主机，相当于 IPv4 的公网地址。当前 GUA 使用的地址范围是 2000::/3，即最高 3 bit 固定为 001。

通常 GUA 的网络部分长度为 64 bit，接口标识也为 64 bit。
全局路由前缀：由提供商指定给一个组织机构，一般至少为 45 bit。
子网 ID：组织机构根据自身网络需求划分子网，长度为 16 bit。
接口标识：用来标识一个设备（的接口）。

IPv6常见单播地址 - ULA

ULA（Unique Local Address，唯一本地地址）是 IPv6 的私网地址，只能够在内网中使用。该地址空间在 IPv6 公网中不可被路由，因此不能直接访问公网，作用相当于 IPv4 中的 10.0.0.0/8、172.16.0.0/12、192.168.0.0/16。

唯一本地地址使用 FC00::/7 地址块，目前仅使用了 FD00::/8 地址段，FC00::/8 预留为以后拓展用。
ULA 虽然只在有限范围内有效，但也具有全球唯一的前缀（虽然随机方式产生，但是冲突概率很低），因此在合并两个内网时不容易出现地址重叠。

IPv6常见单播地址 - LLA

LLA（Link-Local Address，链路本地地址）是 IPv6 中另一种应用范围受限制的地址类型。LLA 的有效范围是本地链路，前缀为 FE80::/10，配置了 IPv6 的接口会自动生成一个 LLA，不需要手工干预。

LLA 用于一条单一链路层面的通信，例如 IPv6 地址无状态自动配置、IPv6 邻居发现等。
源或目的 IPv6 地址为链路本地地址的数据包将不会被转发到始发的链路之外，换句话说，链路本地地址的有效范围为本地链路。
每一个 IPv6 接口都必须具备一个链路本地地址。华为设备支持自动生成和手工指定两种配置方式。

IPv6组播地址

IPv6 组播地址标识多个接口，一般用于“一对多”的通信场景。IPv6 组播地址只可以作为 IPv6 报文的目的地址。组播地址固定以 FF00::/8 开头，长度为 128 bit，结构上分为前缀、标志位、范围和组 ID 四部分。

Flags：4 bit，用来表示永久组播组还是临时组播组。
Scope：4 bit，表示组播组的范围，例如 1 为节点本地、2 为链路本地、5 为站点本地、E 为全球。
Group ID：112 bit，组播组 ID。

实际网络中经常见到的几个组播地址：

FF02::1：链路本地范围内的所有节点。
FF02::2：链路本地范围内的所有路由器。
FF02::1:FF00:0/104：被请求节点组播地址的地址块，下面单独说明。
FF05::2：站点本地范围内的所有路由器。

被请求节点组播地址

当一个节点具有了单播或任播地址，就会对应生成一个被请求节点组播地址，并且加入这个组播组。生成规则很简单：取该单播/任播地址的后 24 bit，接在 FF02::1:FF00:0/104 之后即可。

该地址主要用于邻居发现机制和地址重复检测功能，用组播代替 IPv4 的广播，只有“名字相近”的少数节点需要处理这类报文。被请求节点组播地址的有效范围为本地链路范围。

IPv6任播地址

任播地址标识一组网络接口（通常属于不同的节点）。报文发往任播地址时，网络会把它交给路由意义上“最近”的那个接口处理，因此常用于 DNS 根服务器、时间服务器这类希望就近响应的服务。

需要注意的是，任播地址只能作为 IPv6 报文的目的地址，不能作为源地址——否则接收方无法判断报文究竟来自哪一个成员。任播地址与单播地址格式完全相同，从地址本身看不出区别，必须通过配置来指明。此外，IPv6 还规定了一种子网路由器任播地址：子网前缀 + 全 0 的接口标识，发往该地址的报文会交给该子网中的任意一台路由器。

常见IPv6地址段速查

地址块	名称	说明
::/128	未指定地址	相当于 IPv4 的 0.0.0.0
::1/128	环回地址	相当于 127.0.0.1
2000::/3	全球单播地址（GUA）	可在公网路由
FC00::/7	唯一本地地址（ULA）	私网使用，当前实际使用 FD00::/8
FE80::/10	链路本地地址（LLA）	仅在本链路有效
FF00::/8	组播地址	取代 IPv4 的广播
2001:DB8::/32	文档示例地址	只用于文档和教材，不做实际分配
64:FF9B::/96	NAT64 转换前缀	用于 IPv4 与 IPv6 互通

IPv6地址配置

主机和路由器的IPv6地址

一般情况下，主机和路由器的单播 IPv6 地址以及加入的组播地址如下所示：

IPv6单播地址业务流程

一个接口在发送 IPv6 报文之前，要经历地址配置、DAD、地址解析这三个阶段，NDP（Neighbor Discovery Protocol，邻居发现协议）在其中扮演了重要角色。

全球单播地址和链路本地地址是接口上最常见的 IPv6 单播地址，一个接口上可以配置多个 IPv6 地址。
DAD（Duplicate Address Detection，重复地址检测）类似于 IPv4 中的免费 ARP 检测，用于检测当前地址是否与其他接口冲突。
地址解析类似于 IPv4 中的 ARP，通过 ICMPv6 报文形成 IPv6 地址与数据链路层地址（一般是 MAC 地址）的映射关系。

NDP

NDP 使用 ICMPv6 定义了五类报文，覆盖了从路由器发现到地址解析的全部环节：

RS（Router Solicitation，路由器请求，类型 133）与 RA（Router Advertisement，路由器通告，类型 134）：用于路由器发现和地址前缀下发。
NS（Neighbor Solicitation，邻居请求，类型 135）与 NA（Neighbor Advertisement，邻居通告，类型 136）：用于地址解析和重复地址检测。
Redirect（重定向，类型 137）：用于告知主机存在更优的下一跳。

IPv6动态地址配置

通过 DHCPv6 报文交互，DHCPv6 服务器端自动配置 IPv6 地址/前缀及其他网络配置参数（DNS、NIS、SNTP 服务器地址等参数）。

如果不部署 DHCPv6，也可以使用无状态地址自动配置（SLAAC）：主机根据 RA 报文中的地址前缀，结合本地生成的 64 bit 接口标识（例如 EUI-64），自行生成单播地址。这种方式仅可以获得 IPv6 地址信息，无法获得 DNS、NIS、SNTP 服务器等参数，需要配合 DHCPv6 或者手工配置来获取其他配置信息。

DAD

无论通过何种方式配置了 IPv6 单播地址，主机或路由器都会：

通过 ICMPv6 报文进行 DAD
仅当 DAD 通过之后才会使用该单播地址

DAD 的具体做法是：向该地址对应的被请求节点组播地址发送 NS 报文，如果在规定时间内没有收到其他节点回应的 NA 报文，就认为地址可用。

地址解析

IPv6 使用 ICMPv6 的 NS 和 NA 报文来取代 ARP 在 IPv4 中的地址解析功能。当主机需要向某个 IPv6 地址发送数据，却不知道对方的链路层地址时，就向对方的被请求节点组播地址发送 NS 报文，对方以 NA 报文回复自己的 MAC 地址。

IPv6典型配置举例

下面以华为 VRP 设备为例，把前面讲到的内容落到命令上。一台路由器的接口要能正常收发 IPv6 报文，通常只需要三步：全局使能 IPv6、接口使能 IPv6、配置地址。

IPv6基本配置（一）：使能与接口地址

1. 全局使能 IPv6

[Huawei] ipv6

接口下还需要单独使能，使能设备转发 IPv6 单播报文，包括本地 IPv6 报文的发送与接收。

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 enable

2. 配置接口的链路本地地址（可以手工指定，也可以自动生成）

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address ipv6-address link-local
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address auto link-local

3. 配置接口的全球单播地址（手工指定，或通过 SLAAC / DHCPv6 自动获取）

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address { ipv6-address prefix-length | ipv6-address/prefix-length }
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address auto { global | dhcp }

把上面几步合在一起，一个典型的接口配置是这样的：

[Huawei] ipv6
[Huawei] interface GigabitEthernet0/0/0
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 enable
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address 2001:DB8:1::1 64
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] ipv6 address FE80::1 link-local
[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] undo ipv6 nd ra halt

IPv6基本配置（二）：路由与状态查看

4. 配置 IPv6 静态路由

[Huawei] ipv6 route-static dest-ipv6-address prefix-length { interface-type interface-number [ nexthop-ipv6-address ] | nexthop-ipv6-address } [ preference preference ]

5. 查看接口的 IPv6 信息

[Huawei] display ipv6 interface [ interface-type interface-number | brief ]

回显中可以看到接口的链路本地地址、全球单播地址、使能状态，以及是否加入相应的组播组。

6. 查看邻居表项信息

[Huawei] display ipv6 neighbors

这张表相当于 IPv4 的 ARP 表，可以查看到 IPv6 地址与 MAC 地址的映射关系，以及邻居的状态。

7. 使能系统发布 RA 报文功能

默认情况下，华为路由器接口不发送 ICMPv6 RA 报文，则该接口所连链路上的其他设备无法进行无状态地址自动配置。若想使用 IPv6 无状态地址配置，需要手工开启发送 RA 报文。

[Huawei-GigabitEthernet0/0/0] undo ipv6 nd ra halt

小结

IPv6 并不是把 IPv4 的字段简单加长，而是在地址结构、报文格式和地址配置方式上一起做了重新设计。回过头看，这一整套设计其实只围绕几件事：

地址够用：128 bit 地址解决了耗尽问题，同时给分层路由留出了足够的空间。
转发够快：基本包头固定 40 字节，去掉校验和与选项字段，新功能靠扩展包头按需插入。
类型更清晰：只保留单播、组播、任播三类，广播被组播取代；单播地址再细分为 GUA、ULA、LLA。
上线更简单：地址配置、DAD、地址解析三个阶段全部由 NDP 支撑，插上网线就能拿到地址。

把这些基础概念记牢，后面学 IPv6 路由协议、过渡技术和网络安全时，会顺畅很多。

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