实用 IPv6（第一部分）
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作者：佐藤広生
你是否曾在你的 FreeBSD 系统上尝试使用过 IPv6？虽然 IPv4 仍然是当今互联网世界的黄金标准，但 IPv6 被视为一种有前景的协议，预计最终将取代 IPv4。IPv6 的第一版 RFC 于 1995 年发布，FreeBSD 默认支持 IPv6 已 20 余年了。其实现已经成熟，不再是实验性的。
为什么 IPv6 不那么流行？一些人认为 IPv4 已经足够满足他们的需求，不想进行更改。这是个合理的理由。然而，我认为阻止 IPv6 普及的原因之一是系统管理员缺乏经验。与 IPv4 的历史类似，IPv6 的实现和最佳实践也随着时间的推移发生了变化。这使得找到包含 IPv6 实用信息的书籍、文章/文献变得困难。只要使用 IPv6 的利弊尚不明确，没有经验的系统管理员是不会愿意使用这一新技术的。
这系列文章将通过展示你可以在 FreeBSD 系统上尝试的各种例子（不仅仅是理论方面），向你介绍（或重新介绍）IPv6。IPv6 并不是对 IPv4 的完全替代，它与现有的 IPv4 网络兼容良好。即使你已经在使用 IPv6，你也应该能从中学到一些新的或有价值的东西。
在深入细节之前，我想从一些你必须理解的基本概念开始。如果你已经在使用 IPv6，可能会觉得这些内容有些枯燥，但本文假设读者熟悉 IPv4 网络管理，但还不熟悉 IPv6。以下技术术语的定义将作为第一部分进行解释：
IPv6 地址格式和文本表示
子网前缀和接口标识符
地址范围和区域
这可能是与 IPv4 最显著的不同之处。IPv6 的地址长度为 128 位，而 IPv4 的地址长度为 32 位。图 1 中的第（1）行显示了一个示例。这段 IPv6 地址以冒号分隔的 8 个字段表示。每个字段中有 4 位十六进制数字，因为它的值是 16 位。这是对一个 128 位值的完整表示。然而，有一种推荐的 IPv6 地址文本表示方式。规则如下：
连续的“0”或前导“0”必须省略，
最长的连续“0”段（超过 16 位）必须用“::”替代，
尽可能缩短表示方式。
图 1：以十六进制格式表示的 IPv6 地址（16 位字段 x 8）
图 1 中的 (2) 是去掉连续零后的形式，(3) 是去掉第一个最长连续零后的形式。 (4) 是最终形式，你将在支持 IPv6 的软件输出中看到它，包括 FreeBSD。
这种地址文本表示方式的约定旨在保持一致性和简洁性。你可以使用从 (1) 到 (4) 的所有表示方式作为输入。最好将你的软件设计为在输出中使用 (4) 的形式。例如，日志文件中的地址就应该使用这种格式。这样就能在使用“grep”时便于查找 (4) 格式的地址。
下一个关键词是“子网前缀”和“接口标识符 (IID)”。在此之前，让我们回顾一下 IPv4 地址。图 2 展示了 IPv6 和 IPv4 地址的结构。在 IPv4 中，地址以“点分八位组”格式表示。一个地址由主机地址和网络地址组成。主机地址标识“节点”或终端主机，而网络地址标识一个网络段，即一个节点可以在没有路由器的情况下相互通信的领域。网络地址是通过使用主机地址和子网掩码计算出来的，如图 2 所示。如果主机地址是 192.168.2.1，子网掩码是 255.255.255.0，那么网络地址就是 192.168.2.0。拥有相同网络地址的机器属于同一个网络段，并且可以直接通信。
图 2：子网前缀和接口标识符
IPv4 子网掩码设计为 32 位值，并且掩码中的“1”值不必是连续的。255.255.255.0 在二进制中表示为（1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000）。因此，前导“1”是连续的。今天你看到的大多数子网掩码应该是连续的，因为这是互联网路由领域工程的标准方式。在早期的阶段，使用了“网络类”，并且通过子网掩码定义了三种 A、B 和 C 类网络——分别为“255.0.0.0”、“255.255.0.0”和“255.255.255.0”。主机地址会自动决定属于哪一类，所以你不需要子网掩码。后来，这种做法发生了变化，引入了 CIDR（无类域间路由）。在 CIDR 策略中，子网掩码与主机地址独立，并且掩码中的前导“1”通常是连续的。因此，子网掩码可以通过前导“1”的长度来表示。这个长度称为“子网掩码长度”，当你想同时显示网络地址信息时，它通常在 IPv4 地址的末尾用斜杠表示（参见图 2 的最后一行）。
一些现代系统不再支持非 CIDR 子网掩码，但 FreeBSD 仍然支持它。你可以尝试以下操作，看看会发生什么。你有没有见过像这样的 netstat(1) 输出？
让我们回到 IPv6。IPv6 与“主机地址”和“网络地址”的概念几乎相同。128 位地址被分为两部分；一部分是“子网前缀”，另一部分是“IID（接口标识符）”。子网前缀对应于 IPv4 中的“网络地址”。它是由子网前缀和低位的“0”组成的 128 位地址。你可以考虑一个 128 位的子网掩码，但它始终通过前导“1”的长度来表示，类似于 IPv4 CIDR 子网掩码长度。在 IPv6 中，这称为“前缀长度”。
你可以将 IPv6 地址分配给你的设备上的一个接口。你需要一个子网前缀、一个 IID 和前缀长度来进行配置。对于 IPv6 节点（例如你的计算机），如果没有特定的原因，前缀长度通常是 64。在 IPv6 的核心规范中，前缀长度是可变的。然而，大多数与 IPv6 相关的协议假定 IID 是 64 位或更长。如果你没有指定前缀长度，默认会使用 64。分配给你 FreeBSD 设备的 IPv6 地址通常被分为 64 位的子网前缀和 64 位的 IID。接口标识符标识同一网络段中的节点。
当你从 ISP 获得互联网访问时，通常会收到一个 IPv4 地址。如果你的 ISP 支持 IPv6，它会提供一个 IPv6“前缀”。它们通常会为你提供 /48、/56、/60 或 /64 的前缀。这意味着，如果是 /48 前缀，你可以为你的局域网使用 16 位，因为你设备的地址前缀长度始终是 /64。
你是否已经厌倦了抽象的内容？让我们在你的 FreeBSD 设备上进入 IPv6 的世界。如前所述，FreeBSD 默认长期支持 IPv6。GENERIC 内核没有运行时开关来启用或禁用 IPv6。你所需要做的就是将 IPv6 地址添加到其中一个接口。
为了逐步理解 IPv6，让我们手动配置它。以下示例假设 bge0 是你设备上的主要网卡（NIC）。你可以在你的工作 NIC 和 IPv4 网络上尝试它们，这不会破坏它们。
尝试执行图 3 中显示的命令行。第一个 ifconfig bge0 显示 bge0 的当前状态。它应该显示带有 IFDISABLED 选项的 nd6 选项行。这个选项意味着“此接口上的 IPv6 被禁用”。
第二个命令 ifconfig bge0 inet6 -ifdisabled 将移除此选项。你可以通过再次执行命令 ifconfig bge0 来再次检查状态。
通过第三个 ifconfig 命令，你应该能看到 inet6 这行。这是配置到 bge0 的 IPv6 地址。fe80::d63d:7eff:fe78:fc64%bge0 部分是地址，prefixlen 64 部分显示了前缀长度。%bge0 部分看起来有些奇怪，但它是地址的一部分，稍后会解释。
你可以对这个地址执行“ping”操作。IPv6 的 ping 命令是 ping6(8)。注意，在 FreeBSD 13.x 及以后的版本中，ping(8) 和 ping6(8) 已经合并为一个命令，但在较新的版本中 ping6(8) 仍然可用。
如果你的机器上运行着 sshd(8) 守护进程，你甚至可以使用 IPv6 地址进行连接。尝试图 3 中的最后一条命令。注意，如果你的 sshd_config(8) 配置文件中将 AddressFamily 限制为 inet，则连接会失败。可以通过执行 sockstat -6 | grep sshd 查看 sshd(8) 是否监听 IPv6 套接字。
从用户的角度来看，支持 IPv6 的 TCP/IP 应用程序（如 ssh(1)）的工作方式与 IPv4 完全相同，唯一不同的是地址格式。
图 3：手动向 bge0 添加 IPv6 地址的命令行示例
已经配置了一个 IPv6 地址，并且它是可用的。但是，这个地址是从哪里来的呢？在 IPv4 中，你应该通过在 ifconfig(8) 命令行中指定地址来配置地址。我们所做的只是 ifconfig bge0 inet6 -ifdisabled。发生了什么？
FreeBSD 支持 IPv6 SLAAC（无状态地址自动配置）。这是 IPv6 中很棒的的一个功能，可以自动配置 IID。记住，IPv6 地址有前缀和 IID。前缀由网络运营商（你或其他人）提供，但 IID 是你必须选择的，它必须在同一网络上唯一。
SLAAC 通过使用 MAC 地址来填充 IID 部分。它并不完全与 MAC 地址相同，但基于 MAC 地址生成一个唯一的 IID。你可以通过检查 ifconfig(8) 输出中的 "nd6 options" 行来查看 SLAAC 是否已启用。如果它包含 "AUTO_LINKLOCAL"，则会自动生成并配置 IPv6 地址。
前缀部分呢？如果你没有配置任何 IPv6 网络，或者你的 ISP 没有提供 IPv6 前缀，那么你的 LAN 就没有 IPv6 前缀。然而，bge0 接口有一个地址 fe80::d63d:7eff:fe78:fc64%bge0。图 4 (1) 是 ifconfig(8) 输出的结果。它意味着在完全的 128 位格式下，地址是 (2)。在简短表示中，前缀是 fe80::。
fe80:: 子网前缀是为“链路本地”通信保留的前缀之一。你可以在任何网络接口上自由使用这个前缀。这个前缀中的地址仅限于直接连接的机器之间在链路上的通信。在 IPv4 中，169.254.0.0/16 被保留用于相同的目的，但它是可选的，并且没有广泛用于实际通信。
在 IPv6 中，链路本地子网前缀在核心协议中是必不可少的。这就是为什么只要在接口上启用 IPv6，地址就会自动配置。
因此，你可以认为所有支持 IPv6 的接口都会至少有一个带有链路本地子网前缀的地址。你可以使用这个地址进行标准的 TCP/IP 应用程序通信，同时它也用于各种重要的通信。
图 4：自动配置的 IPv6 地址
自动配置地址的最后一个神秘部分是 %bge0。如果你没有这个部分，ping6(8) 命令会失败。这是什么？
IPv6 地址有它的“作用域”。作用域是一个拓扑范围，在这个范围内，地址可以作为唯一标识符使用。虽然过去的 IPv6 RFC 提出了多个作用域，但如今只有两个作用域是实际可用的，分别是“全局”作用域和“链路本地”作用域。全局作用域意味着地址在互联网中可路由；链路本地作用域仅在单个特定链路上有效。
“区域”这个关键词与“作用域”相关。图 5 显示了一个包含两个或多个网卡的网络示例。区域是一个作用域地址必须唯一的范围。如果你有两个网卡，并且它们连接到同一网络，那么每个接口上都会自动配置一个 fe80:: 前缀地址。在这种情况下，这两个地址必须是唯一的，这个范围称为“链路本地区域”。每个链路本地区域都有一个区域标识符。在 FreeBSD 上，区域标识符就是网卡的作用域标识符或接口名称。你可以在 ifconfig(8) 的输出中看到关键词“scopeid”，关键词后面的值就是作用域标识符。
图 5：区域与网络段之间的关系
让我们回到 %bge0。这是该地址的区域标识符。链路本地作用域的地址在该区域内是唯一的，但在同一台机器上可能并不唯一。因此，必须指定要使用哪个区域。%bge0 部分是必需的，用于指定区域。bge0 的作用域标识符是 1，因此你也可以将其写作 %1。没有区域标识符的链路本地地址被视为无效。
IPv6 地址有两种类型：“单播”和“多播”。这与地址的作用域无关。如果是单播，则地址用于常规的 1:1 通信。如果是多播，则通信可以有多个接收者。
前缀自动确定作用域和类型：
• 如果前 8 位是“1111 1111” (ff00::)，则是多播前缀；
• 如果前 10 位是“1111 1110 10” (fe80::)，则是链路本地作用域且是单播前缀（称为 LLA，链路本地地址）；
• 其他是全局作用域的单播前缀（称为 GUA，全局单播地址）。
在标准的 IPv4 部署中，多播地址并不常用。而在 IPv6 中，多播被广泛使用。更多细节将在后续章节中讨论，但我想介绍以下两个地址：
• ff02::1—链路本地作用域，所有节点的多播地址
• ff02::2—链路本地作用域，所有路由器的多播地址
每个 IPv6 节点都会“加入”所有节点的多播地址。这意味着连接到指定区域的所有机器都会响应该地址的通信。可以尝试图 6 中显示的命令。如果没有其他支持 IPv6 的设备连接到 bge0，你将只看到来自自己机器的响应。如果有其他设备，你将看到多个 ICMPv6 回显应答。如果使用 ff02::2，链路上的路由器将会响应。如果你有 Apple macOS 或 iOS 设备，你也能看到它们，因为这些设备默认启用了 IPv6。
这两个链路本地多播地址对于诊断非常有用。请记住，你可以使用 ff02::1 查找 IPv6 邻居，使用 ff02::2 查找 IPv6 路由器。
IPv6 节点配置 一个 IPv6 节点必须具有以下配置： • 每个 NIC 上至少有一个链路本地地址， • 一个回环地址。
回环地址是 ::1。在 IPv4 中，使用 127.0.0.1，并配置在 lo0 接口上。::1 也会自动配置在 lo0 接口上。
你可以在单个接口上配置多个 IPv6 地址。在 IPv6 中，多个地址可以用于同一个接口，目的是为不同的功能提供服务。例如，你可以使用 ifconfig(8) 命令添加另一个链路本地地址 fe80::1/64：
与 IPv4 不同，这不会移除或替换已经配置的 IPv6 地址。检查 ifconfig(8) 的输出，并尝试使用 ping6(8) 或 ssh(1) 来使用新地址。如果你想移除特定地址，可以使用 -alias 标志，如下所示：
你可能对可以实际使用的 IPv6 地址感到困惑。在 IPv4 网络中，你可能知道“私有地址空间”始终可以用于本地网络。10/8、172.16/16 和 192.168/24 被广泛使用。那么 IPv6 呢？
如前文所述，你可以使用 fe80::/64 前缀进行链路本地通信。只要没有重复，你可以自由生成这些地址。大多数 TCP/IP 应用程序都可以与这些地址兼容。请注意，如果你使用链路本地单播地址，需要在地址中添加 %zoneid 部分。如果你从 ISP 获得了全球 IPv6 前缀，除了链路本地前缀外，你还可以使用它。如果你配置了 IPv6 的默认路由器，你就可以进行 IPv6 互联网通信。全球前缀并不取代链路本地前缀；链路本地地址对核心 IPv6 协议至关重要。即使你有全球地址，也不要忘记你需要链路本地地址。
那么 IPv6 中没有类似于私有地址的替代方案吗？是的，也不是。ULA（Unique Local Address，唯一本地地址）是为类似目的保留的地址空间。然而，部署 ULA 需要比 IPv4 更加小心的考虑。
有关 IPv6 部署场景的更多细节，包括上面问题的澄清，将在下一期中讨论。
最后，让我们看看如何在 /etc/rc.conf 中配置 IPv6 地址。对于 IPv4，使用 ifconfig_bge0 这行来配置 bge0 接口。对于 IPv6，使用 ifconfig_bge0_ipv6 来表示 bge0 是支持 IPv6 的。配置的最简单版本如下。在这个配置中，只有一个链路本地地址会自动配置：
如果你想手动添加另一个链路本地地址，可以在 ifconfig_bge0_ipv6 中添加“inet6”这行。此配置添加了两个链路本地地址，一个是通过 SLAAC 自动配置的，另一个是通过 ifconfig_bge0_ipv6 这行手动配置的：
可以通过与 IPv4 相同的方式添加更多地址。以下示例通过使用 ifconfig_bge0_alias0 这行添加了一个全球单播地址 2001:db8::1/64：
本栏目介绍了 IPv6 的基础知识和在 FreeBSD 上的配置示例。待`你理解了地址结构并通过 ifconfig(8) 配置，便可以使用自动配置的链路本地地址。尽管它们在互联网上不可全球路由，但仍然对本地网络通信或诊断有帮助。
在下一期中，我们将介绍使用 IPv6 全球前缀的部署细节以及更多关于 FreeBSD 和第三方软件在启用 IPv6 网络上的配置示例。
RFC4291: “IP Version 6 Addressing Architecture”
RFC 5952: “A Recommendation for IPv6 Address Text Representation”
RFC 1519: “Classless Inter-Domain Routing (CIDR): an Address Assignment and Aggregation Strategy”
RFC 4862: “IPv6 Stateless Address Autoconfiguration”
IID 并不总是通过 MAC 地址生成，但它是最常见的实现之一。RFC 7217 和 RFC 8064 讨论了多个问题及新标准。这个话题将在本栏的后续期刊中介绍。
RFC 3927: “Dynamic Configuration of IPv4 Link-Local Addresses”。微软称之为“自动私有 IP 地址分配（APIPA）”。
RFC 4007: “IPv6 Scoped Address Architecture”
区域标识符“bge0”实际上是接口本地的，而非链路本地的。如果你有 bge0 和 bge1 且它们连接到同一网络段，则 %bge0 和 %bge1 表示相同的链路本地区域。FreeBSD 上的 IPv6 网络堆栈在内部假设接口本地和链路本地是相同的。
RFC 1918: “Address Allocation for Private Internet”
不幸的是，少数应用程序与 LLA 不兼容。它们将在后续期刊中介绍。
RFC 4193: “Unique Local IPv6 Unicast Addresses”
佐藤広生 是东京工业大学的助理教授。他的研究主题包括晶体管级集成电路设计、模拟信号处理、嵌入式系统、计算机网络和一般软件技术。2006 到 2022 年间，他曾是 FreeBSD 核心团队成员，自 2008 年以来一直是 FreeBSD 基金会董事会成员，并自 2007 年起主持亚洲 BSDCon，亚洲地区的 BSD 派生操作系统国际会议。