本文将会从以下几个方面进一步介绍ipv6，包括有：
ipv6的基本概念ipv6在linux操作系统下的实现ipv6的实验ipv6的过渡技术介绍ipv6在linux平台下socket编程应该注意的问题实现简易版tgw支持ipv6雏形demo
值得说的是，目前我们接触得比较多的主流操作系统内核，已经很好地支持ipv6协议栈，例如：
windows： windows 7、windows 8.x、windows 10，默认开启ipv6linux： 内核2.6.x、内核3.x、内核4.x 已经支持ipv6（需要手动开启）
ios：ios9开始已经支持ipv6 only，2016年苹果已经强制要求app必须支持ipv6
本文提到的ipv6节点，没有特殊说明，一般指的是纯ipv6节点（ipv6 only），也就是只支持ipv6协议栈；ipv4节点，是指纯ipv4的节点，也就是只支持ipv4协议栈；如果节点支持ipv6和ipv4双栈，会指明是双栈节点。
ipv6的基本概念
众所周知，32位的ipv4地址已经耗竭，ipv6采用128位的地址长度拥有更大的地址空间。首先我们先来认识一下ipv6到底长成什么样子。
初识ipv6
图1 ipv6数据报文
上图是我们最熟悉的ping的ipv6版本icmpv6。可以看到，ipv6数据报文和ipv4有很大的差别：
数据链路层（l2）的type字段标识为 0x86dd，表示承载的上层协议是ipv6
ipv4对比：type字段为0x0800
ipv6的头部字段，和ipv4差别巨大（可以猜测到，ipv6和ipv4无法兼容）
ipv6的报文头部格式如下：
图2 ipv6报文头部（该图片来自互联网）
ipv6报文头部更精简了，字段更少了，对比起ipv4，有以下几个地方值得注意：
ipv6报文头部是定长（固定为40字节），ipv4报文头部是变长的。这个意味着，写代码处理ipv6数据报文的效率会提高很多：）ipv6中hop limit字段含义类似ipv4的ttl。ipv6中的traffic class字段含义类似ipv4中的tos（type of service）。ipv6的报文头部取消了校验和字段。取消这个字段也是对ipv4协议的一个改进。当ipv4报文在网路间传输，每经过一个路由器转发就是修改ttl字段，就需要重新计算校验和，而由于数据链路层l2和传输层l4的校验已经足够强壮，因此ipv6取消这个字段会提高路由器的转发效率。值得一提的是，在ipv6协议下，传输层l4协议udp、tcp是强制需要进行校验和的（ipv4是可选的）。ipv6报文头部中的next header字段表示“承载上一层的协议类型”或者“扩展头部类型”。这里的含义与ipv4有很大的差别，需要加以解释：
当ipv6数据报文承载的是上层协议icmpv6、tcp、udp等的时候，next header的值分别为58、6、17，这个时候和ipv4报文头部中的protocol字段很类似。
当不是以上3种协议类型的时候，ipv6报文头部紧接的是扩展头部。扩展头部是ipv6引入的一个新的概念，每个ipv6的数据报文可以承载0个或多个扩展头部，扩展头部通过链表的形式组织起来。当ipv6数据报文承载着扩展头部的时候，next header的数值为扩展头部的类型值。
为什么要引入扩展头部这个概念，这里也是ipv6对ipv4改进的一个方面，用扩展头部取代了ipv4的可选项信息，精简了ipv6的头部，增强了ipv6的扩展性。有同学会不会有疑问，ipv6的分片数据报文怎么处理？其实就是使用了ipv6扩展头部。我们来抓一个udp分片报文来看看。
图3 ipv6分片报文
当发送一个分片ipv6数据报文的时候，ipv6使用的是扩展头部的形式组织各个分片的信息，如图ipv6报文头部next header字段值为44表示存在扩展头部，扩展头部是ipv6分片数据信息。
对比ipv4，分片信息是记录在ipv4报文头部的分片字段中。
ipv6的扩展头部类型有很多种，除了上述的分片头部，还有路由头部、逐跳可选头部等，具体的可以参考rfc2460。
本章主要介绍了ipv6的一些很直观的认识，下面逐渐介绍ipv6上的基本知识和概念。
ipv6的地址语法
一个ipv6的地址使用冒号十六进制表示方法：128位的地址每16位分成一段，每个16位的段用十六进制表示并用冒号分隔开，例如：
一个普通公网ipv6地址：2001:0d12:0000:0000:02aa:0987:fe29:9871
ipv6地址支持压缩前导零的表示方法，例如上面的地址可以压缩表示为：
2001:d12:0:0:2aa:987:fe29:9871
为了进一步精简ipv6地址，当冒号十六进制格式中出现连续几段数值0的位段时，这些段可以压缩为双冒号的表示，例如上面的地址还可以进一步精简表示为：
2001:d12::2aa:987:fe29:9871
又例如ipv6的地址ff80:0:0:0:ff:3ba:891:67c2可以进一步精简表示为：
fe80::ff:3ba:891:67c2
这里值得注意的是，双冒号只能出现一次。
ipv6地址的号段划分和前缀表示法
ipv6拥有128位巨大的地址空间，对于那么大的空间，也不是随意的划分，而是使用按照bit位进行号段划分（与鹅厂内部一些的64位uin改造放号的zone划分算法）。
ipv6的地址结构如下图：
图4 ipv6地址结构
例如rfc4291中定义了n=48, m=16，也就是子网和接口id与各占64位
ipv6支持子网前缀标识方法，类似于ipv4的无分类域间路由cidr机制（注意：ipv6没有子网掩码mask的概念）。使用“ipv6地址/前缀长度”表示方法，例如：
2001:c3:0:2c6a::/64表示一个子网
而2001:c3:0:2c6a:c9b4:ff12:48bc:1a22/64表示该子网下的一个节点地址。
可以看到，一个ipv6的地址有子网前缀+接口id构成，子网前缀由地址分配和管理机构定义和分配，而接口id可以由各操作系统实现生成，生成算法后面的章节会介绍。
ipv6的地址类型
ipv6地址分三种类型
1、单播，对应于ipv4的普通公网和私网地址
2、组播，对应于ipv4的组播（多播）地址
3、任播，ipv6新增的地址概念类型
ipv6没有广播地址，用组播地址实现广播的功能。实际上我们工作和生活最可能最多接触的就是单播地址，接下来本文重点会讲解单播地址的种类。组播和任播地址有兴趣的同学自行查阅相关rfc和文献。
ipv6单播地址
注意，大家如果在网上搜索ipv6的地址，可能都是千篇一律的把所有“出现过”的单播地址介绍出来，其实有一些单播地址类型已经在相关的rfc中被废除或者不建议使用，而本节会指出这类地址。同时，在介绍单播地址的时候，尽量与ipv4中对应的或者相类似的概念做对比，加深理解。
ipv6单播地址有以下几种：
1、全球单播地址
图5 ipv6全球单播地址结构
前缀2000::/3，相当于ipv4的公网地址（ipv6的诞生根本上就是为了解决ipv4公网地址耗尽的问题）。这种地址在全球的路由器间可以路由。
2、链路本地地址
图6 链路本地地址结构
前缀fe80::/10，顾名思义，此类地址用于同一链路上的节点间的通信，主要用于自动配置地址和邻居节点发现过程。windows和linux支持或开启ipv6后，默认会给网卡接口自动配置一个链路本地地址。也就是说，一个接口一定有一个链路本地地址。如下图：
图7 linux下查看链路本地地址
图8 windows下查看链路本地地址
值得说的是，每个接口必须至少有一个链路本地地址；每个接口可以配置1个以上的单播地址，例如一个接口可以配置一个链路本地地址，同时也可以配置一个全球单播地址。
注意，很容易会把链路本地地址和ipv4的私网/内网地址对应起来，其实链路本地地址对应于ipv4的apipa地址，也就是169.254开头的地址（典型场景就是windows开启自动获取地址而获取失败后自动分配一个169.254的地址）。而ipv4私网对应于ipv6的什么地址，后面会介绍。
特别地，在ipv6 socket编程中，可以使用链路本地地址编程通信，但是需要增加一些额外的参数（这是一个小坑），在后面介绍编程的章节会介绍。
3、唯一本地地址
图9 唯一本地地址结构
前缀fc00::/7，相当于ipv4的私网地址（10.0.0.0、172.16.0.0、192.168.0.0），在rfc4193中新定义的一种解决私网需求的单播地址类型，用来代替废弃使用的站点本地地址。
可能看到这里，有同学会跳出来说：ipv6不是为了解决ipv4地址耗尽的问题吗，既然ipv6的地址空间那么大，可以为每一个网络节点分配公网ipv6的节点，那为什么ipv6还需要支持私网？这里需要谈谈对ipv6下私网支持的认识。
在ipv4中，利用nat技术私网内的网络节点可以使用统一的公网出口访问互联网资源，大大节省了ipv4公网地址的消耗（ipv6推进缓慢的原因之一）。另一方面，由于默认情况下私网内节点与外界通信的发起是单向的，网络访问仅仅能从私网内发起，外部发起的请求会被统一网关或者防火墙阻隔掉，这样的网络架构很好的保护了私网内的节点安全性和私密性。可以设想一下，如果鹅厂内部每台办公电脑都配置了ipv6的公网地址上网，是多么可怕的事情，每台办公电脑都会面临被黑客入侵的威胁（肉鸡真多）。
因此，在安全性和私密性要求下，ipv6中同样需要支持私网，并且也需要支持nat。在linux内核3.7版本开始加入对ipv6 nat的支持，实现的方式和ipv4下的差别不大（linux内核代码中变量和函数的命名几乎就是ctrl+c和ctrl+v过来的-_-||）。
4、站点本地地址
前缀fec9::/48，以前是用来部署私网的，但rfc3879中已经不建议使用这类地址，建议使用唯一本地地址。大家知道有这么一回事就可以了。网上还有很多文章还提到这种地址，但是没有说明这种地址已经不再使用。
5、特殊地址：回环地址
0:0:0:0:0:0:0:1或::1，等同于ipv4的127.0.0.1
6、过渡地址：内嵌ipv4地址的ipv6地址
就是在ipv6的某一些十六进制段内嵌这ipv4的地址，例如ipv6地址中64:ff9b::10.10.10.10，此ipv6地址最后4个字节内嵌一个ipv4的地址，这类地址主要用于ipv6/ipv4的过渡技术中。
一、ipv4兼容地址
0:0:0:0:0:0:w.x.y.z或::w.x.y.z（其中w.x.y.z是点分十进制的ipv4地址）。但在rfc4291中已经不推荐使用这类地址，大家知道有这么一回事就可以了。
二、过渡地址：ipv4映射地址
0:0:0:0:0:ffff:w.x.y.z或::ffff:w.x.y.z（其中w.x.y.z是点分十进制的ipv4地址），用于ipv6地址表示ipv4地址。主要用于某些场景下ipv6节点与ipv4节点通信，linux内核对这类地址很好地支持，在后面编程和内核分析的章节会分析使用过程。
三、过渡地址：特定过渡技术地址
6to4地址、isatap地址、teredo地址主要用于对应的过渡技术的地址，在后面介绍过渡技术的时候会介绍。
ipv6接口id生成算法
从前面的介绍中可以看出，ipv6单播地址是由前缀（64位）+接口id（64位）组成。接口id的生成算法主要有以下几种：
1、根据rfc4291定义，接口id可以从eui-64地址生成。
详细算法可以查看regli同学的ppt第14页。
2、为了可以具备某种程度的匿名信，接口id可以使用一个随机分配的，windows操作系统默认就是使用这种生成算法，linux下也是默认开启这个算法。
3、使用状态化的自动配置技术分配，例如dhcpv6分配。
4、手工配置。
ipv6地址配置
前面对ipv6的地址、前缀、接口等等做了介绍，接下来就是要介绍一个接口如何配置ipv6地址。ipv6一个比ipv4更厉害的方面，就是可以自动配置地址，甚至这个配置过程不需要dhcpv6（在ipv4中是dhcpv4）这样的地址配置协议。最典型的例子就是，只要开启了ipv6协议栈的操作系统，每个接口就能自动配置了链路本地地址，这个是和ipv4最重要的区别之一。
ipv6的地址配置有以下几种：
1、只要开启了ipv6协议栈，接口自动分配链路本地地址。
2、无状态自动配置地址（rfc2462），后面会有实验演示。
3、有状态自动配置地址，例如dhcpv6。
4、手动配置。
ipv6的域名解析
由于ipv6的地址扩展为128位，比ipv4的更难书写和记忆，因此ipv6下的dns变得尤为重要。ipv6的的dns资源记录类型为aaaa（又称作4a），用于解析指向ipv6地址的完全有效域名。下面是一个示例：
hostipv6.example.wechat in aaaa 2001:db8:1::1
ipv6下的域名解析可以认为是ipv4的扩展，详细可以查看rfc3596.
linux内核ipv6架构简析
本文后面主要的分析都是基于linux，会有涉及关于linux内核对ipv6的实现。主要是因为，现在ipv6的参考资料不多，除了与ipv6相关的rfc之外，还有少数可以参阅的ipv6国外文献，而linux内核一直都与跟随着ipv6的协议更新和变化，linux内核ipv6的实现是十分重要的参考材料之一。而且从事后台开发工作主要也是在linux平台下，熟悉linux下ipv6的实现也是为以后的工作做知识储备。
ps：客户端开发的同学可以参考各自平台的文档.............
linux在很早之前就已经开始支持ipv6，目前我们接触最多的linux内核版本都很好地支持ipv6，同时也是支持ipv4/ipv6双栈体系。在linux操作系统中，ipv4是默认必须开启，ipv6是可选编译和配置开启。
例如在编译内核的时候，需要选择ipv6编译选项才支持ipv6
图10 linux内核编译支持ipv6
当开启支持ipv6的linux的内核网络双栈的结构，如下图：
图11 linux内核双栈架构
linux内核中，ipv6协议栈与ipv4协议栈并行关系。ipv6和ipv4完全是两套不一样的代码实现。ipv6完整的协议栈逻辑模块包括：
1、网络层ipv6，核心逻辑：ipv6路由子系统
2、传输层tcp/udp实现：tcpv6、udpv6