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8.2 IPv6 地址类型与特殊地址

上一节我们拆解了 IPv6 的头部结构，那个巨大的 128 位地址空间带来了前所未有的地址自由，但也引入了分类上的复杂性。在 IPv4 时代，我们习惯了区分单播、广播和组播，但在 IPv6 里，这个游戏规则变了。

如果你指望在 IPv6 里找到一个类似 255.255.255.255 的广播地址，你会失望的。这不是遗漏，而是设计。

本节我们不仅要建立对 IPv6 地址类型的直觉，还要深入那些在内核代码（特别是 struct in6_addr）中频繁出现的特殊地址——包括那个让人又爱又恨的 Solicited-Node 地址。

8.2.1 三种通信模式​

IPv6 的地址架构定义在 RFC 4291 中。地址类型决定了数据包的命运：是去往一个人、最近的一个人，还是一群人。

1. 单播​

最直观的模式。单播地址唯一标识一个接口。把包发往单播地址，它会被送到那个唯一的接口。

2. 任播​

这是 IPv4 里没有的概念，你可以把它理解为「指向一组接口的单播地址」。

你把包发往一个任播地址，路由器会把它送到这组接口中离你最近的那一个（根据路由协议的度量）。

这个设计非常聪明。想象你有一组内容分发服务器，在全球各地都有镜像。你可以给这组服务器分配同一个任播地址。用户发起请求时，数据包会自动路由到拓扑距离最近的那台服务器，而客户端根本不需要知道这一层——它只知道自己在跟一个地址通信。

3. 组播​

组播地址标识一组接口（通常在不同节点上）。发往组播地址的包，该组的所有成员都会收到。

这里有个关键的转折点：IPv6 取消了广播。

为什么？因为广播太吵了。在 IPv4 网络里，ARP 请求通过广播大喊「谁拥有 192.168.1.1？」，同一链路的所有设备都被迫醒来处理这个包，不管跟它有没有关系。

IPv6 不想这么吵。它用组播代替了广播。当你想大喊一声的时候，你不再是向所有人喊，而是向一个「特定的组」喊。如果你不是那个组的成员，你可以安睡。

这也解释了为什么 IPv6 废弃了 ARP，改用了 Neighbor Discovery (NDISC) 协议。NDISC 基于 ICMPv6，它不再用广播链路层大喊大叫，而是优雅地使用组播地址来解析 L3 到 L2 的地址映射。

8.2.2 地址表示与前缀​

写 IPv6 地址是个体力活。128 位被分成 8 块，每块 16 位（4 个十六进制数），用冒号隔开：

xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx

但总是写这么多 x 会让人抓狂，所以有两条压缩规则（:: 的妙用）：

  1. 前导零可以省略。
  2. 连续的全零块可以用 :: 代替（但只能用一次，否则没法还原）。

关于前缀，它和 IPv4 的子网掩码是一个东西，只是写法变了。我们用 ipv6-address/prefix-length 来表示。

例如 2001:0da7::/32，这表示所有以 2001:0da7 开头的地址都属于这个前缀。/32 意味着前 32 位是网络部分，剩下的是主机部分。

8.2.3 那些必须记住的特殊地址​

有些地址在代码里刷屏，你看到它们必须条件反射般地知道它们是谁。

1. 链路本地地址​

每个接口都应该有一个。前缀是 fe80::/64。

它的作用范围仅限当前链路。路由器看到源或目标是 fe80:: 开头的包，会直接丢弃，绝不转发。

它是 IPv6 正常工作的基石—— Neighbor Discovery、自动配置都离不开它。它是设备之间的「悄悄话」，只有隔壁邻居能听见。

2. 全球单播地址​

这是公网身份证。格式很有意思，像千层饼：

[Global Routing Prefix (n bits)] [Subnet ID (m bits)] [Interface ID (128-n-m bits)]
  • Global Routing Prefix：给你的网络分配的号段。
  • Subnet ID：在你的网络里再划分子网。
  • Interface ID：接口标识，子网内唯一。

定义主要参考 RFC 3587。

3. 回环地址​

::1。就像 IPv4 的 127.0.0.1。别想太多，就是指自己。

4. 未指定地址​

全零，::。

这货绝对不能当目的地址用。它主要出现在 DAD（重复地址检测） 过程中，作为源地址发送 NS 消息，意思是「我还没地址，我正在试着占这个坑」。你想用 ip 命令手动配置它是配置不上去的，内核会拦住你。

5. IPv4 映射地址 与 兼容地址​

这是过渡时期的产物。

  • IPv4-mapped IPv6：::ffff:192.0.2.128。前 80 位是 0，接着 16 位是 1（ffff），最后 32 位是 IPv4 地址。这用于在纯 IPv6 的 socket 结构里表示一个 IPv4 客户端。
  • IPv4-compatible：::192.0.2.128。这是早期想法，已废弃。RFC 4291 明确表示这种格式过时了。

6. Site-Local 地址​

曾经的 IPv6 私有地址（类似 10.0.0.0/8）。前缀是 fec0::/10。但 RFC 3879 在 2004 年把它干掉了。因为它定义模糊，反而造成路由混乱。现在用全球单播地址配合 Unique Local Addresses (ULA, fc00::/7) 来代替私有地址功能。

8.2.4 内核中的表示：in6_addr​

既然我们在折腾内核，就得看看代码里怎么存这玩意儿。直接塞一个 __u8[16] 太死板，有时候我们要按字节操作，有时候按 u16，有时候按 u32。

于是 Linux 用了一个 union：

struct in6_addr {
    union {
        __u8            u6_addr8[16];
        __be16          u6_addr16[8];
        __be32          u6_addr32[4];
    } in6_u;
#define s6_addr         in6_u.u6_addr8
#define s6_addr16       in6_u.u6_addr16
#define s6_addr32       in6_u.u6_addr32
};

(include/uapi/linux/in6.h)

这种设计让位操作变得极其顺滑，不用搞一堆强制类型转换。

8.2.5 组播地址详解​

组播在 IPv6 里是头等公民。所有的组播地址都以 FF 开头（前 8 位）。

剩下的结构分为三段：

  1. Flags (4 bits)：控制标志。
  2. Scope (4 bits)：控制范围。
  3. Group ID (112 bits)：组 ID。

Flags 字段各位含义（目前主要看低 4 位中的高 4 位，即第 0-3 位，注意位编号习惯）：

  • Bit 0: 永久保留。
  • Bit 1 (R-flag): 是否内嵌 Rendezvous Point。这是组播路由的高级话题，涉及 PIM-SM 等，超出本书范围（详见 RFC 3956）。
  • Bit 2 (P-flag): 是否基于网络前缀分配。RFC 3306 定义。
  • Bit 3 (T-flag): 0 表示 IANA 永久分配的（知名地址）；1 表示临时分配的。

Scope 字段决定了这组播包能跑多远。内核里用宏定义了这些范围，它们对应于 Table 8-1 中的值：

Hex 值描述Linux 内核宏定义
0x01节点本地IPV6_ADDR_SCOPE_NODELOCAL
0x02链路本地IPV6_ADDR_SCOPE_LINKLOCAL
0x05站点本地IPV6_ADDR_SCOPE_SITELOCAL
0x08组织本地IPV6_ADDR_SCOPE_ORGLOCAL
0x0e全球IPV6_ADDR_SCOPE_GLOBAL

8.2.6 必须知道的几个「特殊组播地址」​

有些组播地址是硬编码在协议里的，你必须像背 127.0.0.1 一样背下来。

1. 所有节点地址​

ff01::1 (节点本地) 和 ff02::1 (链路本地)。 作用：这就像新大楼的广播喇叭。上一节提到的 ndisc_send_na() 发送的邻居通告，就是往这个地址喊的。

2. 所有路由器地址​

ff01::2, ff02::2, ff05::2。 作用：当你需要找路由器商量事儿（比如发送 RS 请求路由公告）时，你就往这儿发。

3. MLDv2 路由器地址​

ff02::16。 这是专门给 MLDv2 能力路由器准备的。稍后讨论 MLD 时会看到 Version 2 的 Multicast Listener Report 发往这里。

8.2.7 被请求节点组播地址​

这是一个设计极其精巧的机制，也是 ARP 被 NDISC 替代的核心原因。

问题：在 IPv4 世界里，我要找 192.168.1.5 的 MAC 地址，我就发广播。全网所有设备都醒过来，看一眼是不是找我，不是就扔掉。太吵了。

IPv6 的解法：我能不能只让 192.168.1.5 醒过来，而其他人都睡觉？

这就用到了 Solicited-Node Multicast Address。

当一个接口配置了一个单播或任播地址时，它必须同时计算并加入一个对应的组播组。计算方法如下：

  1. 取该单播/任播地址的低 24 位。
  2. 拼上前缀 ff02:0:0:0:0:1:ff00::/104。

结果就是一个在 ff02:0:0:0:0:1:ff00:0000 到 ff02:0:0:0:0:1:ffff:ffff 范围内的组播地址。

为什么这样设计？

假设你有单播地址 2001:db8::1234:5678。 低 24 位是 34:56:78（假设截断对齐）。 对应的 Solicited-Node 地址是 ff02::1:ff34:5678。

当你想要解析这个地址的 MAC 地址时，你不用大喊大叫，你只需要往 ff02::1:ff34:5678 发一个 NS 消息。 虽然理论上可能有其他设备的低 24 位刚好撞车（概率是 1/2^24），但在局域网内这基本可以忽略。就算撞了，那是极小概率事件，比起每次都广播吵醒所有人，这个 trade-off 划算得不得了。

内核里怎么干的？

代码在 addrconf_addr_solict_mult()：

/* 
 * 算法核心：保留低 24 位，拼上固定前缀
 */
static void addrconf_addr_solict_mult(const struct in6_addr *addr, struct in6_addr *solicited)
{
    memset(solicited, 0, sizeof(struct in6_addr));
    solicited->s6_addr32[0] = __constant_htonl(0xff020000);
    solicited->s6_addr32[1] = __constant_htonl(0x00000001);
    solicited->s6_addr32[2] = __constant_htonl(0xff000000);
    solicited->s6_addr[12] = addr->s6_addr[12];
    solicited->s6_addr[13] = addr->s6_addr[13];
    solicited->s6_addr[14] = addr->s6_addr[14];
    solicited->s6_addr[15] = addr->s6_addr[15];
}

(include/net/addrconf.h)

而加入这个组播组的行为，由 addrconf_join_solict() 完成 (net/ipv6/addrconf.c)。

本节回响​

这一节我们建立了 IPv6 的通信模型：从三种基本的地址类型（单播、任播、组播），到内核中那个灵活的 in6_addr union，再到取代 IPv4 广播的各种组播魔法。

还记得开头那个关于「噪音」的比喻吗？IPv6 试图通过引入 Solicited-Node Multicast Address 这种机制，把原本吵闹的局域网通信变成精准的「房间通话」。它用极小的碰撞概率换来了巨大的效率提升，这种工程哲学在 ff02::1:ffxx:xxxx 这个小小的地址结构里体现得淋漓尽致。

有了地址，我们就可以定位对方了。但地址只是终点，怎么去那里？这需要路线图。

下一节，我们将进入 IPv6 Routing，看看 Linux 内核是如何通过 fib6_lookup() 在那个庞大的 128 位空间里，为数据包找到下一站的。

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最后由 Charliechen114514 于 更新