Общие сведения

Первый модуль нашего курса посвящен общему обзору IPv6: зачем он нужен, чем отличается от предыдущей версии протокола и другие общие моменты. Для начала поговорим о том, что у нас было в IPv4, чтобы потом было с чем сравнивать.

IP (Internet Protocol) — протокол межсетевого взаимодействия — начал разрабатываться в 1974 году. В то время компьютеры были совсем не такими, как сейчас, и сети компьютерные тоже. Компьютеров было мало, доступны они были далеко не всем. Каналы связи в основном использовали коммутацию цепей — пакетной коммутации практически не существовало, лишь отдельные экспериментальные протоколы.

Поэтому IPv4 был во многом пионерским. Многие вещи, заложенные в 1974 году, актуальны до сих пор. Но создатели исходили из предпосылки, что компьютеры не получат такого распространения, как произошло на самом деле. То, что они смогли предусмотреть — предусмотрели. А машины времени у них не было, и знать, как все обернется спустя 40 лет, они не могли.

Костыли современного IPv4

По факту протокол IPv4, которым мы пользуемся сегодня, оптимизирован под технологии 40-летней давности. Служебные протоколы — ICMP, ARP и другие — тоже оптимизированы под старые технологии. Поэтому сегодня IPv4 вынужден использовать множество дополнительных механизмов, которые позволяют ему хоть как-то существовать в современных сетях. Все эти костыли усложняют работу протокола, и на оригинал это уже мало похоже.

Для работы IPv4 в современных сетях требуются:

• Дополнительные технологии для автоматической настройки узлов (которых в оригинальном IPv4 не было)
• Технологии для безопасной передачи данных
• Механизмы аппаратной разгрузки маршрутизации

Если маршрутизацию выполнять строго по стандартам — это достаточно сложная вычислительная задача. Поэтому все производители на практике игнорируют рекомендации и маршрутизируют IP-пакеты с помощью аппаратных ускорителей. Эти чипы «пережевывают» маршруты из таблицы маршрутизации, складывают их в отдельную оптимизированную таблицу, и специальный чип быстро перекладывает пакеты с одного интерфейса на другой. Результат похож на то, что должно быть по стандарту, но внутри маршрутизатора все происходит иначе.

Примеры таких технологий:

• Cisco Express Forwarding (CEF) — у Cisco
• FastPath — у MikroTik
• Аналогичные технологии у других вендоров

Нарушение связности от края до края

Сегодня IPv4 увешан костылями по самое «не могу» — самого протокола уже не видно. В частности, у современного IPv4 нет связности от края до края (end-to-end connectivity). Это требование было изначальным, но мы вынуждены его нарушать из-за нехватки адресов.

Мы используем NAT, разбиваем адресное пространство на частное и публичное. В частном пространстве сидим, в публичном — кто-то отдельно. Из публичного в частное добраться вроде как нельзя. Если очень надо — можно, но это все отдельные костыли.

Бесклассовая адресация

Мы используем бесклассовую адресацию (CIDR). Изначально была красивая идея: по первым битам IP-адреса определять, в какой сети он находится. Механизм был элегантный, но приводил к исключительно неэффективному расходованию адресов. Это стало понятно буквально сразу после выхода протокола, механизм быстро выпилили, и красивая идея так и осталась на бумаге. А механизмы реализации бесклассовой адресации — это тоже, так или иначе, костыли.

В итоге IPv4 целиком состоит из компромиссов. Того, что было изначально, мы даже не видим.

История протокола IP

Ключевые даты

Примерная история протокола. Здесь указаны даты ключевых событий.

Год	Событие
1974	Начало разработки протокола IP (тогда ещё как часть TCP)
1978	Финальная версия IPv4 более-менее зафиксирована
1981	Опубликован RFC 791 — основной стандарт IPv4
1982	IPv4 используется в ARPANET
~1985-86	IPv4 задействуется в CERN
1990	Появляется первый веб-сервер и первый веб-браузер (HTTP, WWW), разработанные Тимом Бернерсом-Ли
1993	Выходит первый массовый веб-браузер Mosaic
1994	Начало разработки IPv6
1996	Первая тестовая сеть на IPv6 — 6bone
1998	Опубликован RFC 2460 — стандарт IPv6
~2006	IPv6 «устаканился»: опубликованы RFC с требованиями к узлам и маршрутизаторам
2010	3GPP признает IPv6 основным протоколом для мобильных сетей (4G/LTE)
2016	Опубликован черновик RFC «Закат IPv4» (предложение объявить IPv4 устаревшим)

От TCP к TCP/IP

Изначально протокол назывался Transmission Control Protocol. Потом из него вычленили отдельно протокол межсетевого взаимодействия, а TCP переехал в отдельный документ. Так из одного протокола получилось два: TCP и IP. Именно поэтому заголовки TCP и IP очень похожи друг на друга — много полей устроены одинаково. Это не случайность: изначально это был один протокол, который потом искусственно разделили.

Куда делись версии 0-5?

• IPv0, IPv1, IPv2 — части того самого первоначального протокола TCP
• IPv3 — промежуточный вариант, впоследствии доработанный до IPv4
• Все версии 0-4 были реализованы в 1977-1978 годах
• IPv5 — этот номер был зарезервирован за экспериментальным протоколом

Рекомендация: читайте RFC

RFC — коротенькие документы. Если отбросить вступление и заключение с выводами, останется очень мало, но очень насыщенного текста. Если хотите разобраться в какой-то технологии — читайте RFC напрямую.

Почему понадобился IPv6

К 1993 году, когда интернет только зарождался и публика еще не вкусила даже десятой доли его возможностей, уже практически четверть адресного пространства IPv4 была использована. Адреса выделены, кто-то заплатил за них деньги — может, и не использует, но пространство заканчивается стремительно.

В 1994 году началась разработка IPv6. К 1994 году стало ясно: IPv4 настолько хорошо «взлетел», что все стали им пользоваться, и адресов просто не хватит.

Исчерпание адресов

На диаграмме IANA (Internet Assigned Numbers Authority) показано количество свободных блоков /8. Эти блоки не появляются заново — их ограниченное количество.

Из всего адресного пространства IPv4:

• Класс D (первые биты 1110) — зарезервирован под multicast
• Класс E (первые биты 1111) — зарезервирован IANA
• Итого для unicast доступны только 7/8 пространства — примерно 200 с небольшим блоков /8

Начиная с ~1996 года количество свободных блоков падает заметно. У самой IANA блоки полностью закончились примерно в 2011 году. У региональных регистраторов (RIR) какие-то адреса еще остались, но ни одного полного, нераспечатанного блока /8 уже нет — только «огрызки», которые интенсивно заканчиваются.

Все региональные регистраторы перешли в режим жесткой экономии: при запросе IPv4-адресов требуют обоснование, при крупных запросах — активно интересуются, зачем столько. На вторичном рынке цены на IPv4-блоки, особенно крупные, растут. Есть рынок перекупщиков адресов, но ресурс очень ограниченный.

Задачи IPv6

Связность от края до края

Вернуть в протокол изначально задуманную сквозную связность (end-to-end connectivity): любой узел может достать до любого другого, если только это не ограничено административно.

Многие начинающие сетевые администраторы не любят IPv6 именно из-за отсутствия NAT: «Как же нас снаружи тогда похакают?» При этом они забывают, что NAT — это не технология повышения безопасности. NAT нужен как костыль для выхода из частного адресного пространства в публичное. Да, он имеет побочный эффект — делает некоторые атаки невозможными. Но при целенаправленной атаке (например, с подменой IP-адресов) NAT не спасет.

Для защиты сети нужны access-листы, файрволы и подобные механизмы — как в IPv4, так и в IPv6.

Предсказуемость адресов с сохранением преимуществ CIDR

В IPv6 вернули предсказуемость адресов: можно посмотреть на первые биты адреса и сделать глобальные выводы. При этом преимущества бесклассовой адресации сохранены. В частности, механизм CIDR (Classless Inter-Domain Routing) позволяет агрегировать маршруты, что критично для провайдерских маршрутизаторов. В IPv6 протокол специально сделан так, чтобы CIDR можно было использовать легко и удобно.

Дополнительные заголовки вместо поля опций

В IPv4 было поле опций — красивая идея «дырочки» для будущих расширений. На практике:

• Стандартные опции никто не использовал
• Некоторые опции были небезопасными (например, Source Routing — маршрутизация не по таблице, а по указанному в заголовке пути)
• При встрече с нераспознанной опцией невозможно было прочитать остальные

В IPv6 вместо одного поля опций сделали дополнительные заголовки (Extension Headers) с предсказуемым форматом. Если узел не может разобрать конкретный заголовок — он видит его размер и просто перескакивает на следующий.

Единый служебный протокол

Все сторонние протоколы, которые в IPv4 были обязательны для нормальной работы — ICMP, ARP, DHCP — вошли в IPv6 как составные части. Вместо пачки разных протоколов появился один служебный — ICMPv6, который умеет делать практически все. Для задач, которые в него не вошли, существуют дополнительные протоколы (например, DHCPv6), творчески переработанные для удобной работы с IPv6.

В IPv4 для разных сред передачи нужны были разные протоколы: ARP для Ethernet, Inverse ARP для Frame Relay и так далее. В IPv6 — один ICMPv6 на все случаи.

Огромное адресное пространство

IPv6 использует 128-битные адреса, что дает примерно 3,4 * 10^38 адресов. Не все из них можно назначить конкретным узлам (адресное пространство «рыхлое»), но адресов все равно на много порядков больше, чем в IPv4.

Следствия:

• Адреса раздаются пачками, а не поштучно
• NAT не нужен — адресов достаточно для всех
• Нет необходимости «отдавать» адрес обратно серверу, как в DHCP для IPv4
• Можно случайным образом сгенерировать адрес — вероятность коллизии околонулевая (в отличие от IPv4, где в сети /24 из 254 адресов коллизии неизбежны)

Упрощенный заголовок

Заголовок IPv6 содержит минимальный набор полей, необходимых для маршрутизации. Все немаршрутизационные задачи вынесены в дополнительные заголовки. Это позволяет:

• Быстро находить выходной интерфейс
• Выполнять маршрутизацию на аппаратном уровне
• Разгружать центральный процессор маршрутизатора

Обязательная поддержка IPsec

В IPv4 невозможно было гарантировать, что удаленный узел поддерживает шифрование или цифровую подпись. В IPv6 поддержка IPsec обязательна: каждый узел с IPv6 обязан уметь отправлять и принимать зашифрованный трафик. Это не означает автоматического шифрования всех пакетов — правила все равно нужно настраивать вручную. Но вы можете быть уверены, что любой IPv6-узел способен согласовать защищенное соединение.

Мобильность (Mobile IPv6)

В IPv4 обеспечение мобильности — возможности переключаться между сетями с сохранением IP-адреса — требовало построения туннелей и сложных схем. В IPv6 механизм мобильности стал штатным: можно переключаться между Wi-Fi, 3G, LTE, менять провайдеров, пересекать границы стран — и сохранять один и тот же адрес.

Эта тема больше относится к провайдерским сетям и в данном курсе подробно не рассматривается.

Фрагментация только на отправителе

В IPv4 фрагментацию мог выполнить любой промежуточный маршрутизатор. В IPv6 фрагментация выполняется только отправителем. Если пакет не пролезает на каком-то участке сети, маршрутизатор отправляет сообщение отправителю с указанием допустимого размера, и тот уже нарезает следующие пакеты нужного размера.

Минимальный MTU:

• IPv4: 576 байт (унаследовано от модемных соединений с PPP)
• IPv6: 1280 байт — существенно больше

Увеличение минимального MTU полезно для многих приложений. Например, DNS в IPv4 ограничивал размер UDP-датаграмм значением 576 байт (с учетом заголовков), чтобы гарантировать прохождение через любую сеть. Для отправки данных большего размера требовалось расширение EDNS0 или переключение на TCP. В IPv6 с MTU 1280 байт пространства для данных значительно больше.

Отсутствие широковещания (broadcast)

В IPv4 было много типов broadcast:

• Широковещание в локальной сети (255.255.255.255)
• Directed broadcast — широковещание в удаленную сеть (например, на адрес 192.168.0.255)

В IPv6 broadcast полностью отсутствует. Везде используется либо multicast, либо unicast. Это резко повышает эффективность использования сети.

Пример неэффективности broadcast в IPv4: при отправке DHCP Discover (с 0.0.0.0 на 255.255.255.255) все узлы сети получают кадр, разбирают его на канальном уровне, поднимают до IP, проверяют чек-суммы, передают в UDP, проверяют порт — и только тут узнают, что они не DHCP-сервер. Все узлы синхронно напрягаются, хотя адресат только один.

В IPv6 используются мультикастовые группы: приложение, которое хочет найти соседа, отправляет пакет в определенную группу, и напрягаются только участники этой группы, а не все узлы в сети.

Сравнение IPv4 и IPv6

Вот примерно так будет выглядеть сравнение протоколов IPv4 и IPv6.

Характеристика	IPv4	IPv6
Длина адреса	32 бита (~4 млрд адресов)	128 бит (~3,4 * 10^38 адресов)
NAT	Необходим	Не нужен (связность от края до края)
Адресация	Бесклассовая (костыль поверх классовой)	Изначально бесклассовая с предсказуемой структурой
Фрагментация	На любом узле	Только на отправителе
Минимальный MTU	576 байт	1280 байт
Broadcast	Есть	Нет (заменен multicast)
Служебные протоколы	ICMP, ARP, DHCP и др.	Единый ICMPv6 + DHCPv6
IPsec	Опциональный	Обязательная поддержка
Мобильность	Костыли с туннелями	Штатный механизм

IPv6 — это существенно более проработанный протокол. По сути, это тот же IP (Internet Protocol), просто детали в версии 6 проработаны значительно лучше, чем в версии 4. А принцип работы тот же: узел отправляет пакет, тот доходит до получателя или промежуточного маршрутизатора, который пересылает его ближе к сети назначения.

Распространение IPv6 в мире (по состоянию на 2016 год)

Статистика по пользователям (данные Google)

Сегодня, в мае 2016 года, порядка ~10% пользователей в мире используют IPv6 для доступа к сервисам Google.

• 10% в выходные, 8% в будни — что говорит о большем проникновении IPv6 в домашних сетях по сравнению с корпоративными
• За год проникновение IPv6 удвоилось (с ~5% в 2015 до ~10-12% в 2016)

Статистика по странам

Ситуация в разных странах неодинакова.

Страна	Доля пользователей IPv6
Бельгия	~44%
США	~25%
Германия	~25%
Франция	~15%
Китай	~1,5%
Россия	~1%
Индия	<1%

При этом ~25% автономных систем в мире анонсируют IPv6-префиксы — в том числе и в развивающихся странах. Это означает, что провайдеры готовятся к переходу: получили свои IPv6-сети, анонсировали их, просто пользователи пока не «дотянули последнюю милю».

Статистика по ресурсам

• 18% сайтов из топ-1000 (по Alexa) доступны по IPv6
• В среднем 6% ресурсов предлагают доступ по IPv6
• Крупные сервисы (Google, Facebook и др.) доступны по IPv6

Многие ресурсы создаются людьми без глубоких технических знаний, по инструкциям, написанным для IPv4. Корпорации тоже инертны — пока IPv4 работает, срочно менять никто не торопится. Но ситуация меняется.

Трафик IPv6

По данным AMS-IX (Amsterdam Internet Exchange): ~40 Гбит/с IPv6-трафика, что составляет порядка 1,5% от общего объема. По сравнению с 2015 годом трафик вырос вдвое.

Всемирный день IPv6 прошел в 2012 году. Скачок роста наблюдается спустя 3-4 года, и сейчас IPv6 действительно начинает идти в массы.