Адресация IPv6

Текстовое представление адреса IPv6

Итак, адрес IPv6 получил свое первичное, то есть двоичное воплощение — простите за невольный каламбур. Теперь подходящее время привести на печатной странице пример адреса IPv6, но как нам его записать? В виде нулей и единиц? Да, это возможно, но довольно неудобно. Почему? Во-первых, избыточность такой записи очень велика, ведь эта запись основана на двухбуквенном алфавите, тогда как в распоряжении систем человеческой письменности куда больше символов. Во-вторых, направление письменности не одинаково в разных традициях, и упорядоченную цепочку символов разные народы будут вправе записать по-разному, а в управлении вычислительными системами такой разнобой совершенно неприемлем.

Поэтому давайте следующим шагом предложим лаконичное и однозначное текстовое представление адреса IPv6. В первую очередь, оно поможет людям записывать, читать и, по мере возможности, запоминать такие адреса. Однако записывают адреса не только на бумаге — их также вводят в память ЭВМ. В частности, именно к этому сводится ручная настройка адресов. Кроме того, адреса считывают с экрана и выводят на печать. Следовательно, текстовое представление адреса должно использовать только печатаемые символы, но в какой кодировке? Ведь их набор в разных кодировках отличается. К счастью, на практике можно выбрать подмножество символов, которое будет "по зубам" любой существующей ЭВМ, например: буквы латинского алфавита (без определенного регистра), десятичные цифры и основные знаки препинания.

В копилке нашего опыта уже есть подобное решение для адреса IPv4, а именно формат "десятичный с точками" (dotted decimal):

• На входе дан адрес IPv4 как упорядоченная цепочка из 32 бит.
• Сначала биты адреса делят на четыре группы по восемь бит в каждой, то есть байты. При этом сохраняют относительный порядок битов.
• Затем находят численное значение каждого байта и записывают его как десятичное число, руководствуясь при этом целым беззнаковым кодом и сетевым порядком битов: первый бит по порядку — самый старший, то есть наиболее значимый (MSB).
• Наконец, перечисляют эти значения байтов так, чтобы слева стоял самый первый, он же наиболее значимый, байт. Между значениями ставят точки.

Что в этом рецепте можно улучшить? Во-первых, у десятичной записи довольно высокая избыточность; шестнадцатеричная запись может быть короче в раза. Для длинного адреса это плюс.

Во-вторых, текстовую запись адреса IPv4 не очень удобно сопоставлять с двоичными масками подсетей и шестнадцатеричными дампами пакетов при отладке сети. Хотя регулярное преобразование чисел из десятичного представления в двоичное и обратно — неплохая гимнастика для ума, с длинными адресами IPv6 упражняться придется слишком часто и помногу, если мы не откажемся от десятичной записи в пользу шестнадцатеричной.

Наконец, шестнадцатеричное представление удобно делить на отдельные байты, так как каждая цифра представляет полубайт, а их пара — целый байт. Напротив, опустив в записи адреса IPv4 точки, мы в большинстве случаев получим другое десятичное число, нежели численное значение исходного адреса; и наоборот, общепринятую запись адреса IPv4 в общем случае нельзя получить, просто вставив точки в десятичную запись его численного значения.

К примеру, адрес 203.0.113.42 как 32 битное целое беззнаковое число равен 3405803818 десятичному или 0xCB00712A шестнадцатеричному, и только в шестнадцатеричной записи значения отдельных байтов видны невооруженным глазом: 0xCB — 203, 0x00 — 0, 0x71 — 113 и 0x2A — 42

Вместе этих аргументов более чем достаточно, чтобы выбрать основанием текстовой нотации IPv6 число 16.

Пообещав наглядную связь между численным значением адреса IPv6 и его записью, перейдем к осуществлению нашего плана. Что мы понимаем под численным значением адреса? Как мы уже говорили, цепочку битов можно рассматривать как число в целом беззнаковом коде, если определить старшинство битов в ней. В TCP/IP принят сетевой порядок старшинства: первый бит — наиболее значимый. Это позволяет нам найти численное значение адреса IPv6, равно как и адреса IPv4, поскольку оба они — упорядоченные цепочки битов.

Следующий шаг — от абстрактного численного значения к его шестнадцатеричной записи. Чтобы записать цепочку из 128 битов как беззнаковое число в шестнадцатеричном представлении, потребуется 32 знака, включая возможные ведущие нули. Давайте для удобства добавим нейтральные символы-разделители через каждые несколько знаков, как это делают с телефонными номерами. Пусть в группе будет четыре знака, а разделяет группы знак двоеточия, а не точка — это позволит не спутать адрес IPv6 с адресом IPv4. Тогда, например, адрес с таким численным значением по основанию 16:

20010DB800000000000000100006789

можно записать так:

2001:0DB8:0000:0000:0000:0001:0000:6789

Это был наш первый пример настоящей текстовой записи адреса IPv6. Он уже вполне отвечает формату и готов к использованию. Но мы видим, что его избыточность все еще велика: в нем много раз повторяются нули. А ведь по нашему плану адресное пространство IPv6 будет неисчерпаемым, а значит, разреженным, так что и на практике в адресах будут встречаться длинные цепочки нулей. Как бы нам сократить их запись? Для этого нам понадобится пара дополнительных правил.

Во-первых, давайте рассматривать каждую группу из четырех знаков как отдельное 16 битное беззнаковое число. Цепочка битов, представленная таким числом, не изменится, если мы отбросим ведущие нули, поскольку мы уже зафиксировали ее длину. Так что мы вправе объявить ведущие нули группы необязательными.

После этой простой поправки тот же самый адрес можно записать заметно короче:

2001:DB8:0:0:0:1:0:6789

Теперь мы замечаем, что в этом адресе подряд идут три нулевых группы. А что будет, если мы их вообще опустим? Мы точно знаем, что в полной записи адреса IPv6 восемь групп; благодаря этому мы можем элементарно вычислить длину пропущенной цепочки нулей. Например, давайте опустим нулевые группы, идущие подряд в нашем образцовом адресе:

2001:DB8::1:0:6789

Так как всего групп должно быть восемь, а в записи осталось только пять, то на месте пропуска должны быть недостающие три нулевых группы. Позицию же пропуска однозначно показывает пара знаков двоеточия.

При необходимости пара двоеточий может находиться не только в середине, но также и в начале или в конце адреса. Например, следующие две записи эквивалентны между собой — но отличны от 2001:DB8::1:0:6789:

2001:DB8:1:0:6789::

2001:DB8:1:0:6789:0:0:0

А что будет, если мы сделаем больше одного пропуска? Например, так:

2001:DB8::1::6789

Попробуем восстановить полный адрес. Мы легко видим, что пропущено четыре группы, но мы не знаем, как они распределены между пропусками: одна и три, две и две, три и одна. Эта неоднозначность мешает нам восстановить полный адрес. Так мы убеждаемся, что в сокращенной записи допустим только один пропуск, и никак не более.

Между тем, опустить можно любую цепочку нулей, а не только самую длинную. К примеру, наш образцовый адрес 2001:DB8::1:0:6789 можно записать и так:

2001:DB8:0:0:0:1::6789

Как нетрудно видеть, теперь опущена всего одна нулевая группа, потому что остальные семь записаны явно.

Помимо полных, 128 битных адресов, в ряде случаев нам понадобится запись префиксов IPv6. Так, к примеру, префиксами будут представлены записи в таблицах маршрутов или просто блоки адресов, выделенные для каких-то целей. По своей сути, префикс — это цепочка битов, длина которой не больше, чем длина адреса. Как мы знаем, одна такая цепочка обозначает все адреса, старшие разряды которых совпадают с этой цепочкой. Из-за их тесной связи с адресами, префиксы удобно записывать в том же формате, только с явным указанием длины. Пусть десятичная длина префикса пишется после адреса через косую черту, как и в нотации IPv4 CIDR [§3.1 RFC 4632].

Допустим, нам дан такой двоичный префикс длиной 58 бит:

0010000000000001000011011011100000000000000000001100110110

Чтобы превратить его в полный, 128 битный адрес IPv6, который мы должны записать перед косой чертой, этот префикс надо дополнить 70 нулевыми битами справа — ведь префикс означает старшие биты адреса. Шестнадцатеричное значение искомого адреса таково:

20010DB800000CD800000000000000000

Записав этот адрес по недавно сформулированным правилам, мы ставим косую черту и пишем длину, 58. Вот что у нас получается:

2001:0DB8:0000:CD80:0000:0000:0000:0000/58

Это и есть текстовое представление данного префикса. А теперь мы можем переписать адрес IPv6 лаконичнее и получить краткий, но полностью эквивалентный вариант:

2001:DB8:0:CD80::/58

Наконец, иногда удобно одновременно записать адрес IP и его префикс. (Главное применение этой записи мы встретим при назначении адреса сетевому интерфейсу.) По определению, префикс уже содержится в старших разрядах адреса, так что достаточно дополнить адрес длиной префикса, применив ту же самую нотацию. Например, запись:

2001:DB8:0:CD9F::123/58 означает адрес 2001:DB8:0:CD9F::123 в контексте префикса 2001:DB8:0:CD80::/58.

Отличить запись адреса с префиксом от записи чистого префикса в общем случае можно только по контексту. Конечно, в записях адресов довольно часто встречается ненулевой остаток (разряды справа от префикса), а в правильных записях префиксов его нет никогда; однако адрес, в котором остаток нулевой, тоже имеет право на существование.

Типичная ошибка, которую можно допустить, записывая префикс, — это отбросить в последней значащей группе концевые нули [§2.3 RFC 4291]. Например, следующие две записи не эквивалентны:

2001:DB8:0:CD80::/60

2001:DB8:0:CD8::/60

Чтобы убедиться в этом, достаточно преобразовать каждую из текстовых записей обратно в двоичное или шестнадцатеричное представление префикса и остатка, как показано в Табл. 1.1, и сравнить непосредственно их.

"Составленные" нами правила записи адресов и префиксов IPv6 зафиксированы в §2.2 и §2.3 RFC 4291. А вот что RFC 4291 забывает сказать, так это что текстовая нотация IPv6 нечувствительна к регистру: знаки-буквы могут быть как прописными (A–F), так и строчными (a–f) [§2.3 RFC 5952]. Это обычная практика шестнадцатеричной нотации.