IPv6 является более современной версией протокола интернет-протокола, чем IPv4. В первую очередь, при его разработке стояла задача расширения адресного пространства, которые в текущее время уже исчерпано для протокола IPv4, а такая плотность адресации заметно раздувает таблицы маршрутизации из-за того, что необходимо включать в глобальную таблицу маршрутизации небольшие диапазоны адресов.

При попытке просто расширить адресное пространство инженеры столкнулись с тем, что придётся значительно изменить формат заголовка IP. Вывод они сделали такой: раз текущим форматом заголовка IPv4 им все-таки придется пожертвовать, то почему бы радикально не переделать протокол IP, чтобы исправить в нем существующие недостатки и добавить новые возможности. Именно поэтому между протоколами IPv4 и IPv6 нет совместимости.

На вопрос «а почему именно v6, а не v5, ведь теперь адрес не состоит из 6 байт?» можно ответить так. Почитайте RFC 1819. Он был принят и в нём указано, что в заголовке пакета должна быть указана версия 5. Версия 5 просто была занята при разработке нового протокола, который, соответственно и получил наименование IPv6 и заветное значение `6` в заголовке пакета.

Забудьте о NAT

NAT (Network Address Translation) - это метод, который позволяет множеству устройств в локальной сети использовать один общедоступный IP-адрес. Однако, с появлением IPv6, NAT становится необязательным. Сколько человеко-часов уходит на то, чтобы «подружить» NAT с некоторыми протоколами, из которых вспомним хотя бы IPsec, FTP и SIP. Если вы общаетесь со своими друзьями и родственниками по видео/аудио через интернет, вы вынуждены использовать промежуточный сервер, как и тысячи и миллионы других клиентов, потому что между вами NAT. Вы не можете пересылать поток напрямую. NAT — это костыль в IPv4, который был призван решить его проблемы. Его использование в IPv6 возможно, и, даже существуют готовые программные решения, но использовать их нет никакой необходимости.

Очень часто можно слышать аргумент, что NAT — это про безопасность. Однако если у вас используется сквозная прозрачность, то вы можете пересылать пакеты через ваш маршрутизатор без изменения их содержимого, а обеспечить тот же самый уровень защиты с помощью брандмауэра, который требует значительно меньше ресурсов. Я даже ощущаю чрезвычайную заботу о моей безопасности от одного крупного провайдера в РФ, да такую, что я не могу использовать протоколы UDP и SCTP, потому что обратные пакеты, как и любые соединения TCP в мою сторону, до меня не доходят. И это никак не решить, потому что, официально, провайдер IPv6 не предоставляет.

Маска сети (префикс) теперь не так важна

Из-за размеров адреса в IPv6 маска сети вырастает до таких же размеров. Чтобы упростить жизнь администраторам сети, вместо маски сети в IPv6 используют длину маски или, по другому, префикс. Маска сети, конечно, более гибкий инструмент и позволяет использовать даже чередование нулей и единиц. Но на практике это встречается крайне редко. Скорее, я даже не могу вспомнить ни одного случая, где бы это использовалось и где нельзя обойтись обычной маской. Идея префикса следующая — нужно просто посчитать количество единиц в маске сети и указать его. С помощью этого числа мы всегда сможем восстановить маску, использовав в левой её части указанное число единиц, а правую часть заполнив нулями. Лично мне было удобней пользоваться этим даже в IPv4 вместо маски, потому что это заметно компактней. Подобный формат для IPv4 поддерживает, например, пакет iproute2 в Linux.

Впрочем, про префикс, в большинстве случаев, тоже можно забыть, потому что практически любой канал в IPv6 использует по умолчанию префикс длиной в 64 бита. Канал в IPv6 это участок сети, где узлы могут пересылать пакеты между собой напрямую без промежуточных узлов. Префикс теперь чаще просто даёт понять сколько в нашем распоряжении сетей стандартного размера и используется в таблицах маршрутизации.

Т. е. при длине адреса 128 бит, половина их используется в качестве адреса устройства внутри сети. Использование другого префикса без веской причины добавит вам приключений. Этих 64 бит вполне хватает, чтобы устройствам с любым MAC-адресом обеспечить уникальным канальным адресом, а значит узлы при общении между собой могут выбрать себе безопасно IPv6 адрес на основании своего MAC-адреса.

Таким образом на одну сеть IPv6 выделяется 64 бита и ещё 64 бита остаётся для её идентификации. Изначально предлагалось выделять каждому клиенту по 65536 сетей стандартного размера. Однако часто можно встретить, что выделяется только 256 сетей. Вроде бы расточительство выдавать даже по 256, не говоря уже о 65536! Но если сделать прикидки, то все адреса IPv6, которые начинаются на `2` могут обеспечить каждого жителя земли живущего в 2023 году более чем 2,5 тысячами сетей по 65536 сетей стандартного размера /64 или более 650 тысячами сетей по 256 сетей, такого же, стандартного размера /64. Адресации явно хватает с большим запасом. Но даже если в будущем будет признано, что раздавать по 65536 сетей в одни руки или даже 256 - это расточительство, то алгоритм выделения можно изменить в будущем для адресов, которые не начинаются на `2` и `3`. В запасе ещё `4`, `5` … `d`, `e`.

Не используйте IPv6 адрес явно

Если ваше устройство не предоставляет другим каких-либо сервисов, то забудьте о том, что ваше устройство вообще имеет IP-адрес. Считайте, что оно просто имеет доступ в сеть. Да, IP адрес или, скорее, адреса у него есть, но забудьте о них совсем на обычных устройствах, к которому другие не должны иметь доступ без разрешения. Даже если вы хотите, например, предоставить доступ по сети в папку в Windows или открыть доступ на сетевой принтер, вам не нужен постоянный IP-адрес, можно использовать сервисы вроде LLMNR или mDNS для обнаружения вашего устройства в сети и пользоваться именами узлов, а не IP адресами. Конечно, для серверов и всего того, что должно быть доступно всем, есть статическая адресацию и DNS.

Почему об IP адресе лучше забыть? Потому что в IPv6 ваше устройство может иметь множество IPv6 адресов одновременно:

1. link-local - ваше устройство автоматически будет иметь этот адрес при включении IPv6 и использовать его в пределах канала;

2. GUA (Global unicast IPv6 address) - глобальный адрес или несколько, т.е. именно тот адрес, который вы можете использовать для связи с любыми узлами в интернете, и, да, вы можете иметь их несколько одновременно;

3. ULA (Unique Local IPv6 Address) - если ваш провайдер не предоставляет вам IPv6 адресацию или префиксы вам выдаются динамически, вы можете использовать специальный тип адресов — локально уникальных.

Кроме этого, ваше устройство может использовать специальные адреса для multicast и anycast вещания. Это отдельная большая тема и я её сейчас не затрагиваю.

Для каждого подключения сама операционная система может выбрать наиболее подходящий для этого адрес.

Теперь в вашей сети может находится одновременно несколько маршрутизаторов. При чём, один маршрутизатор может быть подключен к одному провайдеру, другой к другому. Каждый из них может раздавать выданную ему адресацию, чтобы любое устройство в сети могло получить адрес и использовать его. Трафик будет делиться на два направления. Кроме того, если у вас есть возможность наладить обмен сообщениями между маршрутизаторами, то они могут согласовывать как они будут разделять потоки трафика, например, делить нагрузку между собой или играть роли основного и резервного маршрутизатора. Например, можно настроить так, что когда головной маршрутизатор определяет, что у него пропал доступ в интернет, он выдаёт всем клиентам сети анонс, что больше не является маршрутизатором по умолчанию, а также сообщает об этом резервному, который может быстро его заменить просто оправив анонс устройствам в сети, что, с этого момента, выданные им заранее адреса можно использовать для доступа к ресурсам, а его использовать как маршрут по умолчанию.

У приложений нет необходимости указывать адрес, который будет использован как исходящий. Это должна делать сама операционная система. Фактически адрес нужен приложениям только в том случае, если они желают передать его удалённой стороне, например, при совершении видеозвонков. Клиенты обмениваются своими адресами через центральный сервер после чего, уже не зависимо от него, осуществляют прямое соединение между собой по тем адресам, которые они указали.

DHCP больше вам не нужен

Совсем забывать про него не нужно. Механизм DHCP в IPv6 всё ещё остался, но теперь это, скорее, опция, а не необходимость. Теперь любой маршрутизатор может анонсировать свою сеть и ваши устройства в сети с помощью механизма SLAAC могут самостоятельно назначить себе адрес. SLAAC (IPv6 Stateless Address Auto-configuration) — это способ получения устройством глобального IPv6-адреса одноадресной рассылки без использования DHCPv6-сервера.

До сих пор в сети можно найти заблуждение, что IPv6 позволяет вычислить тип устройства и его производителя по IPv6 адресу. Да, иногда такое возможно, но только если адрес устройство назначает себе на основе MAC-адреса своего интерфейса. Однако уже давно существуют расширения, которые реализованы в операционных системах и которые призваны скрыть ваш MAC-адрес. Сейчас многие операционные системы назначают себе адрес на основе случайных данных из которых атакующий вас уже ничего не сможет извлечь полезного, кроме, конечно, вашего IP адреса. Просто посмотрите на ваш IPv6 адрес. Если в середине второй части адреса вы видите последовательность `xxFE:FFxx`, то, с большой долей вероятности, адрес назначен на основании MAC адреса. Если это часть глобального адреса (который начинается на цифру `2` или `3`), то стоит проверить настройки вашего устройства и включить механизм безопасности.

ARP больше не используется

ARP (Address Resolution Protocol) - это протокол, который используется в IPv4 для связи между IP-адресами и MAC-адресами устройств в сети. В IPv6 ARP заменен на NDP (Neighbor Discovery Protocol). Чтобы NDP работал нормально, нужно обеспечить нормальную работу ICMPv6. ARP больше не нужен.

Промежуточные узлы не обязаны иметь публичные IP адреса

Любой маршрутизатор в сети IPv6 может иметь только link-local адреса на своих интерфейсах. Этого вполне достаточно чтобы общаться со своими соседями и клиентами. При этом маршрутизатор может получить префикс от вышестоящих узлов, раздавать эту адресацию узлам внутри сети и даже отдельные префиксы другим маршрутизаторам, а также обеспечивать пересылку трафика между узлами локальной сети и интернет, но при этом не использовать ни одного адреса из полученной сети. Иметь в качестве шлюза адрес `fe80::1`, т.е. link-local адрес — это нормально.

Диапазон link-local во всех сетях один

Изначально может показаться странным, но link-local адреса во всех сетях используют один диапазон — `fe80::/10`. Более того, узел с несколькими интерфейсами может иметь один и тот же link-local адрес на всех интерфейсах, например, `fe80::1`. И это будет работать! link-local адреса должны быть уникальны только в пределах одного канала, т. е. в пределах той части сети, куда подключен сетевой интерфейс. Всё, что должен знать маршрутизатор, что следующий маршрутизатор доступен через этот интерфейс и имеет такой-то канальный (link-local) адрес. Больше никаких заморочек с выделением /30 сетей для связи соседних маршрутизаторов, как это было для протокола IPv4.

Единственное неудобство такого решения — если вы хотите использовать link-local адрес удалённого устройства, то необходимо кроме этого адреса указывать интерфейс, через который это устройство доступно.

[~]$ ping fe80::1%wlp3s0

PING fe80::1%wlp3s0(fe80::1%wlp3s0) 56 data bytes

64 bytes from fe80::1%wlp3s0: icmp_seq=1 ttl=255 time=3.79 ms

Безопасность сети

Если ранее необходимо было защищать сеть от посторонних DHCP серверов, то теперь необходимо, также, запрещать анонсы маршрутизаторов IPv6 (RA) с посторонних направлений, т. к. с они могут перенаправить клиентский трафик по другому направлению. Как это реализуется в вашем оборудовании можно узнать через поисковые системы с помощью запроса «RA Guard». Cisco, Juniper, Huawei, Eltex и другие предоставляют необходимый функционал в своих устройствах на современных прошивках.

Заключение

Основная проблема внедрения IPv6 в 2023 году — отсутствие заинтересованности у провайдеров. Нет клиентов с IPv6, нет потребности в IPv6 на серверах. Нет IPv6 на серверах, нет потребности у клиентов. Замкнутый круг. По факту же, большинство современных устройств вполне способно полноценно работать в условиях наличия только IPv6 протокола. Наиболее приспособленные к этому мобильные устройства. С персональными компьютерами немного сложнее, например, может потребоваться установка дополнительного софта для приложений, которые хотят по прежнему использовать протокол IPv4 (например, магазин приложений Steam).

Ознакомьтесь подробнее с IPv6 и вы больше никогда не захотите возвращаться обратно к IPv4.