Omówienie IPv6 - opis,charakterystyka

Omówienie protokołu IPv6 zawiera taki elementry jak: Format nagłówka Nagłówki rozszerzeń Szczegółowe omówienie nagłówka routingu Adresowanie Preferowany Format Adresu Skompresowana reprezentacja adresu Adres IPv6 z osadzonym adresem IPv4 Reprezentacja adresów IPv6 w formacie URL. IPv6 i podział na podsieci

Nagłówek IPv6 posiada 8 pól oraz całkowitą długość 40 oktetów. Podstawowy nagłówek może być powiększony o nagłówki rozszerzeń.

Podstawowy nagłówek IPv6.

Pole Wersja – jest to 4-bitowe pole określające wersję protokołu IP. W przypadku protokołu IPv6 jego wartość wynosi 6.

Pole Klasa Ruchu – pole to swoją funkcjonalnością jest podobne do pola TOS w nagłówku IPv4. Znakuje ono pakiet IPv6 znacznikiem DSCP (and. Differential Services Code Point.), który określa metodę obsługi pakietu.

Pole Etykieta strumienia – jest to 20-bitowe pole służące do oznaczania strumienia pakietów IPv6. Nie ma odpowiednika tego pola w data gramie IPv4. Standard IETF nie określa dość szczegółowo sposobu obsługi i przetwarzania tego pola.

Długość pola danych – Zawarta w tym 16-bitowym polu informacja określa długość pola danych, które to są częścią pakietu znajdującą się za nagłówkiem IPv6.

Następny nagłówek – 8-bitowe pole określające typ informacji znajdujących się za podstawowym nagłówkiem. Informacja ta może określać protokół warstwy wyższej TCP/UDP, bądź też może być nowym opcjonalnym nagłówkiem rozszerzeń. Obsługiwane protokoły zostały określone przez IANA.

Limit skoków- 8-bitowe pole określające maksymalną liczbę skoków, które może wykonać pakiet, każdy przeskok (przejście przez router pośredniczący) redukuje wartość tego pola o 1. W momencie wyzerowania wartości tego pola pakiet jest porzucany i do nadawcy zostaje wysłana wiadomość protokołu ICMPv6 typu-3 oznaczająca ona przekroczenie czasu. [7]

Adres źródłowy – 128-bitowe pole określające adres IP nadawcy.

Adres docelowy – 128-bitowe pole określające adres docelowy pakietu.

Nagłówek IPv6 może być powiększony o tzw. nagłówki rozszerzeń. Umieszczane one są za nagłówkiem podstawowym IPv6. Dokument RFC 2460, Internet Protocol version 6 Specification zawiera definicje kilku typów nagłówków. Każdy pakiet IPv6 może posiadać dowolną liczbę dodatkowych nagłówków. W pakiecie IPv6, który posiada kilka nagłówków rozszerzeń, nagłówki opcjonalne tworzą powiązaną listę nagłówków, identyfikowanych przez pole „Następny nagłówek” nagłówka poprzedniego.

IPv6 posiada zdefiniowane następujące nagłówki:

• Nagłówek opcji skok-za-skokiem (ang. hop-by-hop) –protokół „0”, zawartość tego pola jest analizowana przez każdy węzeł i router w momencie dostarczenia pakietu. Z nagłówka tego korzystają pakiety tzw. Jumbogram oraz ostrzeżenia routera (ang. Router Alerts). Zastosowanie tego nagłówka obserwujemy w protokole RSVP (ang. Resorce Reservation Protocol) ponieważ każdy router musi je sprawdzać.

• Nagłówek Opcje miejsca docelowego – protokół „60”, nagłówek zawiera informacje opcjonalne odnoszące się do adresu docelowego. Specyfikacja protokołu Mobile IPv6 posiadającego status dokumentu roboczego IETF zaleca wykorzystanie tego nagłówka do przekazywania informacji rejestrowych pomiędzy agentem domowym a węzłem mobilnym. Mobile IP umożliwia urządzeniom przenośnym zachowanie stałego adresu IP bez względu NATO, z którego punktu dostępowego aktualnie korzystają.

• Nagłówek routingu –protokół 43, nagłówek ten znajduje zastosowanie w sytuacji, gdy węzeł sieciowy chce wysłać pakiet przez konkretny router do węzła docelowego. Wewnątrz nagłówka routingu można zawrzeć listę routerów pośredniczących tylko w momencie, gdy pole „Typ routingu” ma wartość „0”.

Obsługa LSR (ang. Loose Source Routing) w IPv6 przebiega inaczej niż w IPv4. Po przygotowaniu trasy pakietu poprzez określenie listy routerów pośrednich, lecz przed wysłaniem pakietu IPv6 węzeł źródłowy wykonuje szereg operacji omówionych poniżej.

1. Przed wysłaniem oryginalny docelowy adres IPv6 w nagłówku IPv6 zostaje zastąpiony adresem pierwszego routera pośredniczącego z listy.
2. Pierwotne miejsce docelowe pakietu zostaje wpisane na ostatnią pozycję listy routerów pośrednich.
3. Wraz z dalszym przesyłaniem pakietu do kolejnych routerów pośrednich jest zmniejszana wartość pola „Pozostałe Segmenty” (ang. Segments Left) o „1”. Pole to pełni rolę informacyjną o ilości routerów pośrednich na trasie, przez które będzie przekazany pakiet zanim trafi do węzła docelowego.

Każdy router pośredni po otrzymaniu pakietu posiadającego zdefiniowaną Lisę routerów pośrednich wykonuje następujące czynności:

I. Docelowy adres IPv6 z nagłówka jest zastępowany adresem IP następnego routera pośredniczącego z listy.
II. Wartość pola „Pozostałe segmenty” jest zmniejszana o „1”
III. Adres IPv6 routera pośredniego, do którego dotarł pakiet zostaje wpisany przed adresem następnego routera. Dzięki takim działaniom zapamiętywana jest trasa pakietu.
IV. W przypadku gdy pakiet dociera do ostatniego routera pośredniczącego z listy, docelowy adres IPv6 nagłówka IPv6 zostaje zastąpiony ostatecznym adresem docelowym.

Węzeł docelowy w momencie odebrania pakietu z nagłówkiem routingu jest w stanie odtworzyć listę routerów pośrednich zapisaną w nagłówku. Wykorzystując te informacje węzeł docelowy może wysłać odpowiedź do węzła źródłowego tą samą trasą wykorzystując nagłówek routingu. Odczytuje kolejne routery pośrednie i ustawia je w odwrotnej kolejności wyznaczając trasę pakietów.

• Nagłówek fragmentacji – protokół 44, mechanizm PMTUD jest zalecany dla wszystkim węzłom IPv6. W przypadku, gdy węzeł IPv6 nie obsługuje PMTUD a musi przekazać pakiet o rozmiarze większym niż maksymalny dopuszczalny rozmiar pakietu na ścieżce, zastosowany będzie nagłówek fragmentacji. Węzeł podzieli pakiet na mniejsze części i wyśle każdą z nich.

• Nagłówek uwierzytelniania – protokół 51, ma zastosowanie w protokole IPSec aby zapewnić proces uwierzytelniania, integralność danych oraz zabezpieczenie przed wielokrotnym odtworzeniem. Jest identyczny z nagłówkiem uwierzytelniania (AH) IPSec zarówno w IPv4 jak i IPv6.

• Nagłówek ESP (ang.Encapsulating Security Payload) – protokół 50, zastosowany w protokole IPSec w celu zapewnienia uwierzytelniania, integralności danych oraz zabezpieczenie przed wielokrotnym odtworzeniem. Jest identyczny z nagłówkiem uwierzytelniania IPSec ESP w protokołach IPv4 i IPv6.

• Wielokrotne nagłówki rozszerzeń

W celu zastosowania wielokrotnych nagłówków rozszerzeń w pakiecie IPv6 należy pamiętać o zachowaniu odpowiedniej ich kolejności, która przedstawia się następująco:

1. Nagłówek podstawowy IPv6,
2. Nagłówek opcji skok-za-skokiem,
3. Opcje miejsca docelowego przy zastosowanym nagłówku routingu,
4. Nagłówek routingu,
5. Nagłówek fragmentacji,
6. Uwierzytelnianie,
7. ESP,
8. Opcje miejsca docelowego,
9. Warstwy wyższe tj. TCP,UDP, ICMPv6.

Taka kolejność nagłówków rozszerzeń w pakietach wymusza ich przetwarzanie w ściśle określonej kolejności. W momencie gdy węzeł otrzymuje pakiet, nie może przeszukać pakietu, w celu odnalezienia konkretnego nagłówka rozszerzeń. Aby zawarte w nagłówku rozszerzenia informacje mogły być użyteczne dla węzła, muszą zostać przetworzone informacje ze wszystkich poprzedzających nagłówków.

• Protokół UDP (ang. User Datagram Protocol)
Protokół UDP – protokół 17, jest protokołem warstwy wyższej. W niezmienionej formie pozostał w IPv6 i ciągle działa w warstwie wyższej niż nagłówki IPv4 i IPv6. Ważną zmianą pojawiającą się w IPv6 jest fakt, iż pole sumy kontrolnej pakietu UDP nie jest już polem opcjonalnym jak to miało miejsce w przypadku IPv4, lecz jest polem obowiązkowym. Dlatego też wartość pola sumy kontrolnej UDP musi zostać wyznaczona przez węzeł źródłowy przed wysłaniem pakietu IPv6.

• Protokół TCP (ang. Transport Control Protocol)
Protokół TCP – protokół 6, jest protokołem warstwy wyższej zarówno w przypadku IPv4 jak i IPv6. W nagłówku TCP pole sumy kontrolnej jest obowiązkowe zarówno w IPv4 jak i IPv6, wynika to z faktu, iż protokół TCP jest bardzo złożonym protokołem i nie zaproponowano jego żadnych modyfikacji dla IPv6. Podobnie jak UDP, protokół TCP pozostał na szczycie IPv6.

• Maksymalna jednostka transmisji (MTU)
W protokole IPv4 minimalna wartość MTU łącza wynosi 68 oktetów. W związku z tym każdy węzeł sieci musi mieć możliwość przekazania pakietu IPv4 o rozmiarze 68 bajtów bez jego fragmentacji, należy pamiętać, że maksymalna wielkość nagłówka IPv4 to 60 oktetów.

W przypadku protokołu IPv6 minimalna wartość MTU została zwiększona do 1280 oktetów

Minimalny rozmiar MTU dla IPv6 wynosi 1280 oktetów.

Pomimo faktu, że każde łącze IPv6 ma MTU o wielkości 1280 oktetów i większe, minimalna wielkość obsługiwanych datagramów w IPv6 wynosi 1500 oktetów. Jest to rozmiar datagramu po skompletowaniu wszystkich jego fragmentów przez warstwę IP.

• Protokół PMTUD
W celu zapobiegania fragmentacji w IPv6, która jest zjawiskiem niekorzystnym ze względu na zwiększone użycie procesorów w węzłach pośrednich, RFC 2460 zdecydowanie zaleca zastosowanie protokołu PMTUD (ang. Path MTU Discovery) dla IPv6. Protokół PMTUD jest inicjowany przez hosta źródłowego i pozwala na określenie minimalnej wartości MTU na ścieżce.

• Bardzo duża MTU
Nagłówek IPv6 jest w stanie obsłużyć pakiet o maksymalnym rozmiarze 65 535 oktetów, który jest ograniczony przez 16 bitową długość pola „Długość Danych”. Należy jednak pamiętać, że w przypadku IPv6 dopuszczalne są większe pakiety zwane Jumbogramami, których rozmiar wynosi do 4 294 967 295 oktetów. Dodatkowo warto zauważyć, że w technologii 10 –GB Ethernet rozmiar MTU wynosi 9216 oktetów.

Adresy IPv6 mogą być przedstawiane na trzy różne sposoby, dokładna ich definicja znajduje się w RFC 2373 – opisującym Architekturę adresacji IP w wersji 6(ang. IP Version 6 Addressing Architecture). Zalecaną reprezentacją adresu jest jej najdłuższy zapis, który prezentuje wszystkie 32 szesnastkowe znaki składające się na adres IP.

Drugim sposobem przedstawienia adresu IP jest jego skompresowana reprezentacja. Powstała ona z myślą uproszczenia pisownie adresów przez człowieka. Kompresja jest możliwa wówczas, gdy w adres zawiera wartości zerowe.

Ostatnia możliwa metoda przedstawiania adresu IPv6 wiąże się z mechanizmami przejściowymi, gdzie adresy IPv4 są wbudowane w adresy IPv6. Metoda ta ma najmniejsze znaczenie , zastosowanie swe znajduje w sytuacjach gdzie stosuje się charakterystyczne mechanizmy przejściowe przykładowo automatyczny i zgodny z IPv4 tunel bądź dynamiczny protokół NAT-PT (ang. Network Address Translation Protocol Translation).

Preferowaną postacią adresu IPv6 jest jego najdłuższa reprezentacja składająca się z ośmiu pól szesnastkowych 16-bitowych oddzielonych dwukropkiem. Reprezentacja ta zwana jest również jako postać kompletna adresu IPv6. Każde 16-bitowe pole jest przedstawione tekstowo za pomocą czterech znaków heksadecymalnych, ogranicza to wartość szesnastkową każdego z 8 pól od wartości 0x0000 do 0xFFFF. Należy pamiętać, że w zapisie heksadecymalnym nie jest istotna wielkość liter alfanumerycznych.

Przykładowe adresy IPv6 w postaci preferowanej:

Normal 0 21 false false false PL X-NONE X-NONE

W rozwijającej się architekturze IPv6 bardzo powszechnym zjawiskiem jest stosowanie adresów zawierających długie ciągi zer. Specjalny mechanizm kompresuje kolejne ciągi „0” w dwóch sytuacjach:

1. Kolejne 16-bitowe pola składają się z samych zer
2. Zera znajdują się na początku adresu IPv6

W celu uproszczenia pisowni adresów IPv6 gdzie występuje wiele pól 16-bitowych złożonych z samych zer, zastępuje się te pola symbolem „::” – podwójnym dwukropkiem. Dzięki takim działaniom uzyskujemy znaczne skrócenie adresu IPv6. Architektura IPv6 dopuszcza niestety tylko jeden znak „::” w adresie IPv6. Dzięki metodzie kompresowania ciągów zer adresy IP mogą być bardo krótkie. Reprezentacja skrócona oznacza również, że adres IP może posiadać kilka sposobów przedstawienia.

W momencie zastąpienia ciągu zer symbolem podwójnego dwukropka, parser adresu ma możliwość określenia liczby skompresowanych zer. Następnie dodaje brakujące zera do przestrzeni między dwoma znakami do momentu uzyskania pełnego 128-bitowego adresu IPv6. Jeżeli w skompresowanym adresie znajdowałoby się więcej symboli „::”, parser nie byłby w stanie określić ilu zer zastępuje każdy z symboli, dlatego też kompresja umożliwia zastosowanie jednego znaku „::”.

Poniższe zestawienie prezentuje przykładowe adresy IPv6 zawierające 16-bitowe ciągi zer oraz format skrócony tych adresów IPv6. W kolumnie formatu preferowanego zastępowane ciągi zer wyróżniono pogrubieniem.

Przykładowe zestawienie adresów IPv6 w formacie preferowanym i w formacie skróconym:

Jak łatwo zauważyć ostatnia pozycja w tabeli jest postaci „FFFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF„. Jest to adres którego wszystkie bity mają wartość „1” Architektura IPv6 nie przewiduje kompresji ciągów „1” dlatego też adresu tego nie możemy skrócić. Formę skróconą z zastosowaniem symbolu „::” stosuje się tylko i wyłącznie gdy kilka sąsiednich pól 16-bitowych składa się wyłącznie z samych „0”.

Uwagę należy również zwrócić na przedostatnią pozycję w tabeli, gdzie w adresie występują 2 ciągi zer. Kompresji może ulec tylko jeden z nich ze względu na ograniczone możliwości parsera. Przykładowe błędne formaty skróconych sdresów IPv6 przedstawia poniższa tabela.

Ta metoda kompresji jak nazwa wskazuje jest stosowana oddzielnie do każdego 16-bitowego heksadecymalnego pola adresu IPv6 w sytuacji gdy zawiera ono przynajmniej jedno zero początkowe. Początkowe zera każdej z 8 części adresu mogą po prostu zostać usunięte, co może znacznie wpłynąć na długość adresu IPv6. Kompresja początkowych zer wymaga, w przypadku gdy całe 16-bitowe pole składa się z samych zer, aby jedno zero pozostało. Poniższe zestawienie prezentuje zastosowanie kompresji początkowych zer. W każdym skompresowanym adresie początkowe zera są usunięte natomiast pozostałe wartości zostały zawarte w adresie IPv6. W kolumnie adresów preferowanych pogrubione są znaki które uległy kompresji skracającej długość adresu IPv6.

Przykładowe zestawienie adresów IP w postaci preferowanej i ich odpowiedniki przy dokonanej kompresji początkowych zer w polach 16-bitowych:

Omówione wcześniej dwie metody kompresji można łączyć w celu jeszcze mocniejszego skrócenia adresów IPv6. Kolejne zestawienie prezentuje Adresy IPv6 w formacie preferowanym i ich odpowiedniki skompresowane przy użyciu dwóch wcześniej omówionych metod.
Przykładowe zestawienie adresów IP w postaci preferowanej i ich odpowiedniki przy dokonanej kompresji początkowych zer w polach 16-bitowych i jednocześnie przy kompresji ciągów zer przy użyciu znaku"::".

Ostatnia pozycja w tabeli zawiera 2 ciągi pól 16-bitowych składających się z samych zer. Pierwsze 3 pola zostały zastąpione znakiem „::” następne 2 pola złożone z samych zer zastąpiono dwoma zerami „0:0” kompresji także uległo początkowe zero z piątego pola adresu oraz 3 początkowe zera z ostatniego pola adresu IPv6.

Ta specyficzna forma przedstawiania adresu IPv6 znajduje zastosowanie w mechanizmach przejściowych służących do łączenia sieci opartych na architekturze IPv4 i IPv6. Pierwsza część adresu IPV6 używa reprezentacji szesnastkowej natomiast druga część adresu – Ipv4 używa reprezentacji dziesiętnej.

Część adresu odpowiadająca adresowi IPv4 można również przedstawić w postaci heksadecymalnej w implementacjach gdzie został zastosowany mechanizm automatycznych tuneli zgodnych z IPv4, dlatego też wartości dziesiętne są konwertowane do reprezentacji szesnastkowych.

Adres IPv6 z osadzonym adresem IPv4.

Na powyższym rysunku przedstawiony jest format adresu IPv6 używający osadzonego adresu IPv4. Starsze bity adresu – sześć 16-biotwych, heksadecymalnych pól stanowi są reprezentowane za pomocą symbolu „X” , ostatnie 32 bity adresu są reprezentowane przez 4 pola dziesiętne, 8-bitowe oznaczone symbolem „d”.
Wyróżnia się dwa typy adresów IPv6 z osadzonym adresem IPv4:

1. Adres IPv6 kompatybilny z adresem IPv4 – adres taki służy do ustanawiania automatycznego tunelu w celu przekazywania pakietów IPv6 przez siec IPv4. Adres ten odnosi Siudo mechanizmów przejściowych protokołu IPv6.
2. Adres IPv6 mapowany na adres IPv4 – adres ten ma zastosowanie tylko w węzłach lokalnych posiadających stos IPv6 jak i IPv4. Adres IPv6 jest mapowany tylko lokalnie. Takie adresy nie są znane poza węzłem i nie powinny konfigurować w sieci jako adresy IPv6.

Oba typy adresów używają identycznej reprezentacji adresu IPv4 osadzonego w adresie IPv6, jednakże dla każdego osadzonego adresu IPv4 określono inny prefiks IPv6. Dla adresów IPv6 kompatybilnych z adresami IPv4 prefiks jest reprezentowany przez pierwsze sześć 16-bitowych pól adresu ustawionych na „0” pozostałą część adresu stanowi 32-bitowy adres IPv4.
W przypadku adresu IPv6 mapowanego na adres IPv4 prefiks składa sięz 80 najstarszych bitów adresu IPv6 ustawionych na „0” oraz kolejnych 16 bitów ustawionych na „1”. Pozostałe 32 bity adresu stanowi adres IPv4 węzła lokalnego.

Poniższe zestawienie prezentuje przykłady obu typów adresów IPv4 osadzonych w adresie IPv6 oraz ich możliwe formaty skrócone. Analogicznie do poprzednich zestawień a formacie preferowanym adresów IPv6 pogrubiono części adresu ulegające kompresji w celu skrócenia adresu.

Reprezentacja adresów IPv6 w formacie URL.

Format URL (ang. Uniform Resource Locator) zawiera definicjęznaku „:” jako symbolu określającego numer portu. W Architekturze IPv6 parser URL przeglądarek internetowych musi posiadać możliwość rozróżnienia dwukropka numeru portu od dwukropka adresu IPv6. Ze względu na fakt, iż skrócona forma adresu IPv6 może zawierać podwójny dwukropek w dowolnym miejscu adresu powyższa sytuacja staje się niemożliwa.

Problem ten rozwiązano poprzez zastosowanie nawiasów kwadratowych, w których to musi być zawarty adres IPv6. Pozwoliło to na bezproblemową identyfikację adresu IPv6 oraz na zachowanie znaku dwukropka w adresach URL. Rozwiązanie to opisane jest w dokumencie RFC 2732 – Format for Literal IPv6 Addresses In URL’s dotyczącym formatu zapisu adresu IPv6 a adresie URL. Poza nawiasem zawierającym adres IPv6 podany może być numer portu, nazwa katalogu lub pliku.

Korzystanie z adresów IPv6 zawartych w nawiasach powinno być ograniczone do działań diagnostycznych lub w przypadkach gdy niedostępna jest usługa DNS. Ze względu na rozmiar adresu IPv6 – 128 bitów, użytkownik stara się korzystać z DNS i FQDN – w pełni kwalifikowanej nazwy domenowej. Jest to rozwiązanie znacznie bardziej ergonomiczne niż podawanie adresu IPv6 w postaci heksadecymalnej.

Wcześniej omówiony protokół IPv4 posiadał dwie dozwolone metody reprezentacji maski podsieci.

1. Reprezentacja dziesiętna, w której maska sieci jest zapisywana w postaci czterech 8-bitowych liczb dziesiętnych oddzielonych kropką – d.d.d.d. Maska sieci reprezentuje ciąg kolejnych bitów o binarnej wartości „1”.
2. Notacja CIDR, metoda ta określa maskę jako liczbę dziesiętną, odpowiadająca liczbie jedynek w masce. Liczba ta ustawiona jest za prefiksem sieci po znaku „/”

W protokole IPv6 zrezygnowano z postaci maski sieci w formie długiej tj. d.d.d.d ze względu na długość adresu IPv6 – 128bitów, analogicznie z powyższym długość maski sieci również wynosiłaby 128bitów. Notacja CIDR jest jedyną dopuszczalną reprezentacją maski sieci w IPv6. Pomimo heksadecymalnej reprezentacji adresu IP wartość maski sieci pozostaje wartością dziesiętną.

Poniżej prezentowane jest zestawienie adresów IPv6 i przykładowych masek podsieci.

Podobnie jak w przypadku IPv4 również dla IPv6 liczba bitów o wartości „1” w masce sieci określa długość części sieciowej adresu. Kolejna część tworzy adres węzła. Jest to bardzo istotna informacja dla IP, informuje czy pakiet ma być przekazany do routera domyślnego czy do konkretnego węzła w tej samej podsieci.

Odstępstwem IPv6 od IPv4 jest brak adresów zarezerwowanych w adresach sieciowych. W architekturze IPv4 pierwszy i ostatni adres z prefiksu sieci są adresami zarezerwowanymi jako adres sieci i adres rozgłoszeniowy. Zmniejsza to całkowitą dostępną liczbę adresów, które można przydzielić węzłom o 2.

IPv6 nie posiada adresu rozgłoszeniowego ani adresów zarezerwowanych jako adres sieciowy. Dodatkowo liczba bitów dostępnych do zaadresowania węzłów wewnątrz sieci – 48 bitów, jest na tyle duża, że działania planowania adresacji i używania różnych masek podsieci straciły swój sens. Uprościło to znacznie podział na podsieci.


literatura:

www.ietf.org/rfc/rfc2460.txt, grudzień 1998.

Desmeules Regis, „IPv6. Sieci oparte na protokole IP w wersji 6 /Implementacja,
projektowanie, konfiguracja, wdrożenia”, Wydawnictwo PWN S.A.Warszawa 2006.

www.ietf.org/rfc/rfc2373.txt, lipiec 1998.

www.ietf.org/rfc/rfc3177.txt, wrzesień 2001.