IPv6: Unicast 单播地址的组成与分类
一、Unicast地址的组成
Unicast地址译为“单播地址”，可以理解为“点对点”的网络通信，Wikipedia中是这样解释的“每次只有两个实体相互通信，发送端和接收端都是唯一确定的”。一个Unicast地址通常代表一个网络接口（网卡）。单播地址由前缀(Prefix)和Interface ID组成，如下图：
| Unicast address |
|---|
| 64 bits | 64 bits | +-------------------------------+--------------------------------+ | Prefix | Interface ID | +-------------------------------+--------------------------------+ |
前缀决定了不同类型的单播地址，主要有五种类型：
- Global unicast地址（全局单点广播地址）
- Link-local地址(FE80::/64)
- Site-local地址(FEC0::/10)【已弃用】
- Unique-local地址(FC00::/7)
- 特殊地址(Special IPv6 Address)
- 兼容地址(Compatibility Address)
这些类型的地址在Interface ID确定的情况下就被唯一确定，对应地，它们唯一确定一个网络接口或者主机（但是有时候可以让几块网卡得到相同的IPv6地址）。
二、自动获取Interface ID的方法
1.根据网卡的MAC地址生成Interface ID
Windows XP, Windows Server 2003及大多数Linux发行版都采用这种方式生成Interface ID。Lesca将详细介绍这种方法。
大家知道MAC地址共48位，前24位表示厂商代号，后24位为网卡编号。要转成IPv6 Interface ID，首先将这两个24位断开，插入0xFF, 0xFE两个字节，这样也就转成EUI-64地址，然后将EUI-64地址的第7bit换成1（具体步骤请参看下图）。这是因为由于在标准的IEEE 802网卡中，如果该位为0，则表示该地址受IEEE管辖。
| EUI-64 Interface ID from MAC address |
|---|
| 24 bits | 24 bits |
+----------------------------+----------------------------+
Mac | Organization Unique ID | NIC Specific |
+----------------------------+----------------------------+
Mac | xxxxxx00 xxxxxxxx xxxxxxxx | xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx |
+----------------------------+----------------------------+
/ /\ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
| | 0xFF 0xFE | |
+----------------------------+-----------------+----------------------------+
| 24 bits | 16 bits | 24 bits |
+----------------------------+-----------------+----------------------------+
| xxxxxx00 xxxxxxxx xxxxxxxx |11111111 11111110| xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx |
+-------|--------------------+-----------------+----------------------------+
↓ (bit7 to 1)
| xxxxxx10 xxxxxxxx xxxxxxxx |11111111 11111110| xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx |
+----------------------------+-----------------+----------------------------+
|
例如，假设有一网卡MAC地址为00-15-C5-52-CA-9E，现将其转换成Interface ID：
| Example: EUI-64 Interface ID from MAC address |
|---|
| 24 bits | 24 bits |
+----------------------------+----------------------------+
Mac | Organization Unique ID | NIC Specific |
+----------------------------+----------------------------+
Mac | 00000000 00010101 11000101 | 01010010 11001010 10011110 |
+----------------------------+----------------------------+
/ /\ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
/ / \ \
| | 0xFF 0xFE | |
+----------------------------+-----------------+----------------------------+
| 24 bits | 16 bits | 24 bits |
+----------------------------+-----------------+----------------------------+
| 00000000 00010101 11000101 |11111111 11111110| 01010010 11001010 10011110 |
+-------|--------------------+-----------------+----------------------------+
↓ (bit7 to 1)
| 00000010 00010101 11000101 |11111111 11111110| 01010010 11001010 10011110 |
+----------------------------+-----------------+----------------------------+
IPv6 Interface ID Hex String: 0215:C5FF:FE52:CA9E
|
容易发现，和原MAC地址相比，中间两字节是0xFF, 0xFE。
2.随机生成Interface ID
出于安全考虑，Windows Vista及之后的Windows系统都默认采用随机生成方式产生Interface ID，而不是用EUI-64，你可以通过以下命令禁用随机数生成Interface ID:
netsh interface ipv6 set global randomizeidentifiers=disabled
你还可以通过以下命令查看当前系统是以何方式生成的：
netsh interface ipv6 show global
由于Global unicast地址、Link-local地址、Site-local地址以及Unique-local地址这四种类型的IPv6地址由Interface ID决定地址的唯一性，我们将首先讨论这三类IPv6地址：
三、Unicast地址（单播地址）的分类
1.Global unicast地址（全局单点广播地址）
| Global unicast address |
|---|
| 48 bits | 16 bits | 64 bits | +---+-------------------+-----------+----------------------------+ | 3 | 45 bits | 16 bits | 64 bits | +---+-------------------+-----------+----------------------------+ |001| Global Routing ID | Subnet ID | Interface ID | +---+-------------------+-----------+----------------------------+ |
- Global unicast地址相当于IPv4的Public IP
- Global unicast地址可以接入Internet，并可以被路由
- Global unicast地址具有4个字段：
- 001：Global unicast地址的前缀(2000::/3)
- Global Routing ID：站点(Site)路由前缀（相当于IPv4的Network ID），站点可以是一个网络公司
- Subnet ID：表示站点内的子网，最多可以有2^16=65536个子网
- Interface ID：表示子网内的网络接口（相当于IPv4的Host ID）
2.Link-local地址(FE80::/64)
| Link local address |
|---|
| 10 bits | 54 bits | 64 bits | +------------+------------------+--------------------------------+ |1111 1110 10| 000 ... 000 | Interface ID | +------------+------------------+--------------------------------+ |
- 拥有Link-local地址的节点可以与同一链路(link)上的相邻节点通信
- Link-local地址以FE80开头，前缀为FE80::/64
- Link-local地址只能在本地链路使用，不能在子网间路由
- IPv6协议下，每个网络接口都需要分配一个Link-local地址，即使该接口已经分配了可路由的IPv6地址
3.Site-local地址(FEC0::/10)【已弃用】
2004年9月的RFC 3879已经不建议在新建的IPv6网络中使用Site-local地址，但是现有的IPv6环境仍可继续使用。Site-local由Unique-local地址取代，见下一节。
| Site local address |
|---|
| 10 bits | 38 bits | 16 bits | 64 bits | +------------+----------+-----------+----------------------------+ |1111 1110 11| 00 .. 00 | Subnet ID | Interface ID | +------------+----------+-----------+----------------------------+ |
- Link-local地址以FEC0开头，前缀为FEC0::/10
- Site-local地址（相当于IPv4的Private IP）
- Site-local地址用于与同一站点内的其他节点进行通信
- IPv6路由器根据Subnet ID判断如何处理数据包
- 含有Site-local地址的数据包不能在站点间路由，仅能在子网间路由
- Site-local地址必须由DHCPv6服务器进行配置
4. Unique-local地址(FC00::/7)
2005年10月，RFC 4193发布，保留地址块fc00::/7用作IPv6专用网络(Private Network)，并定义其为unique local addresses（唯一区域地址, ULA）。fc00::/7被划分为两个/8组：
- fc00::/8 – 尚未定义
- fd00::/8
- 地址格式 fd00::/8
- 特点：随机生成40位随机二进制，与fd00::/8组合成fd??:????:????::/48
| Unique local address: fd00::/8 group |
|---|
| 8 bits | 40 bits | 16 bits | 64 bits | +-----------+-------------+-----------+--------------------------+ | 1111 1101 | Random bits | Subnet ID | Interface ID | +-----------+-------------+-----------+--------------------------+ | 48-bit routing prefix | 65536 | |
5.特殊地址(Special IPv6 Address)
在Unicast单播框架下，有以下两个特殊地址：
- 未分配地址(Unspecified address)
- 地址格式 ::或者0:0:0:0:0:0:0:0
- 特点：Interface ID全为0
- 环回地址(Loopback Address)
- 地址格式 ::1或者0:0:0:0:0:0:0:1
- 特点：Interface ID为1
另外，还有一些特殊地址是不在Unicast范围中的，如：
- 多播地址(Multicast address)
- 地址格式 ff00::/8
- 特点：一个地址代表多个网络接口
在此指出这些地址，希望读者能够事先区分，以免混淆！
6.兼容地址(Compatibility Address)
为了从IPv4时代向IPv6时代过渡，产生了很多IPv6向IPv4网络兼容的过渡地址。这些地址也符合Unicast的特性，即可以确定唯一网卡或主机。这会在Lesca博客中的另一篇探讨：请参看《IPv6兼容地址》一文。
References:
[1] 戴友炜，Windows Server 2008 R2安装于管理，清华大学出版社
[2] Link-local address
[3] IPv6(English Version)
[4] IPv6(中文版)
[5] Unicast
[6] Unique local address
