1.2 IPv6的概念
为了更清楚地阐释IPV6在物联网领域的重要性，以及它与其他协议（比如我们后面讲讨论的6LowPAN）之间的关系，我们会覆盖少量关于最新版IP协议的知识。我们假设你对比特、字节、网络栈、网络层、包、IP头等都有一定的了解。你还需要知道，IPv6是一个与IPv4不兼容的协议。
下图描述了因特网使用的分层模型。
IPv6位于第三层——网络层。第三层处理的数据叫做包(packets)。连接到因特网中的设备可以是主机或者路由器。主机可以是PC、台式机或者收发数据包的传感器板子。主机是包的源或目的地。路由器与主机不同，它负责对数据包进行转发，并且选择下一步路由，一步一步地转发到目的地。路由器从一个接口接收数据，然后尽可能快地将这些数据从另一个接口发送到下一个转发路由。这些路由在一起，则构成了因特网。
1.2.1 IPv6包
你需要知道的第一件事是IPv6包长啥样。在我们之前看到的分层模型中，每一层都添加该层自身相关的信息，而这些被添加的信息只能由另一个IP设备的对等层处理。不同设备的对等层之间的“对话”必须按照一个协议。
因特网层级包括：
- 应用层：这里驻有程序员利用网络协议栈提供的网络服务开发的软件。比如网页浏览器，它向网页服务器发送一个连接请求。又比如网页服务器，它运行在因特网中的某个服务器上等待来自客户端浏览器的请求。应用层协议包括HTTP、DNS等。
- 传输层：传输层位于网络层之上，并给网络层提供附加功能，比如转发丢失的数据包，或者保证包按照发送的顺序接收。本层为应用层提供一个“网络服务”，用于发送或接收数据。TCP/UDP是传输层中最常见的协议。
- 网络层：这一层负责正确交付从传输层下发的数据，以及接收从链路层上传的数据。因特网在这一层只使用了一个协议——IP。IP地址用来标识源地址和目的地址。
- 链路层：该层负责发送和接收帧——网络层发送过来的字节的集合。它指定了相关了机制，用于在不同节点间共享媒介。
- 物理层：该层负责电信号处理。需要获得从一个节点到另一个节点的的数字信息。包含所有的物理媒介——有线和无线。
下图描述了如下的思想：每一层接收上一层传递下来的一些字节信息，然后添加一些相关的附加信息，接收端主机的对等层负责处理这些对应的附加信息。在本图中，数据来源于应用层，被发送到物理层。
IP包中的发送、接收字节遵循一个标准格式，下图是基本的IPv6头部：
最开始，是一个固定大小40字节的IPv6基本头，接着是上层数据和一些可选的扩展头(将在后买介绍)。如图所示，包头被分为几个字段。与IPv4头部相比，IPv6的头部有如下的改进：
- 字段数由12减至8
- 基本的IPv6头有固定的40字节大小，并是64bit对齐的，这样的好处是允许在路由器上进行基于硬件的快速转发
- 地址的大小由32bit增加至128bit
在IPv6头部中，最重要字段是源地址和目的地址。IP地址是每个IP设备在因特网上独一无二的，用于路由器的转发决策。
每个IPv6地址有128位，这相当于有2^128个地址(大约是3.4x10^38)，而IPv4的每个地址使用32bit的编码方式，一共只有2^32个地址。
除了基本头之外，还有一个上面提到的扩展头。为了保证基本头的简单性和固定大小，附加信息以扩展头的形式被 添加到IPv6头部。
有几个扩展头已经被定义了，正如上图所示。扩展头必须按照上图中的顺序。扩展头：
- 具有灵活性。例如，计算包中数据以保证安全
- 优化包处理过程。因为除逐跳传输头之外，扩展都只被终节点处理（包的源节点和最终目的节点），而不会被传输路径中的每个路由处理。
- 它们位于链的头部。以IPv6的基本头开始，使用一个域指向下一个扩展头
1.2.2 IPv6编址
使用128bit编址将带来以下好处：
- 提供更多的地址，可以满足现在和将来的需求
- 简化地址自动配置机制
- 更多的层级结构空间和更多的路由聚合空间
- 能够做端对端的安全协议 Pv6地址归纳为下面几类（也在IPv4中存在）：
- 单播（一对一）：数据包从源发送到一个目的地。这是最常见的一种形式，（相对于下面的两种）我们将会更多地谈及。
- 组播（一对多）：数据包从源发送多多个目的地。通过多播路由，使包能够在某些地方被替换。
- 广播（一对最近的）：数据包从源发送到一组中的最近目的地。
- 被保留的：这些地被用作特殊用途
在进入关于IPv6地址和单播地址更详细的介绍前，我们先来总体了解他们，并理解其符号规则。你必须对这些概念有清楚的认识，因为这可能是你用IPv6表示地址时面临的第一个问题。
IPv6地址的符号规则是：
- 由8组组成，每组16bit，组与组之间由“：”隔开
- 每4bit由一个十六进制符号表示
- 大小写不敏感
- 网络前缀（地址的组）的格式是：前缀/前缀长度，其中前缀长度表明一个组地址中前面有多少个连续比特相同
- 每组中最左边的0可以被省略
- 一个或者多个全零组可以被“::”代替。这只能做一次。
前三条规则告诉你最基本的IPv6地址符号组成规则。他们由从0到F的十六进制符号表示。IPv6的地址由8组组成，每组有4个十六进制符号，组与组之间由冒号“：”分隔。最后两条规则是用于地址的符号压缩，我们将在下面如何进行地址压缩的。
先看一些例子：
1）我们写出所有的地址位，比如2001:0db8:4004:0010:0000:0000:6543:0ffd
2）我们用方括号就地址位括起来，比如[2001:0db8:4004:0010:0000:0000:6543:0ffd]
3）我们遵循第四条规则，在每个组里省略最左边的0，比如2001:db8:4004:10:0:0:6543:ffd
4）我们要用第五条规则，运行一个或多个连续的零组用“：：”压缩，比如2001:db8:4004:10::6543:ffd
我们的注意力应该放在IPv6地址的压缩和解压缩过程，这个过程应该是可逆的。犯错是很常见的，比如地址2001:db8:A:0:0:12:0:80可能会被多多次使用“::”压缩。我们提供两种选择：
a) 2001:db8:A::12:0:80
b) 2001:db8:A:0:0:12::80
两者都是的IPv6地址，但是地址2001:db8:A::12::80是错误的，因为它没有遵循最后一条压缩规则。通过这个被严重过度压缩的地址，我们不能确定如何去扩展它。我不不知道应该扩展为2001:db8:A:0:12:0:0:80还是扩展为2001:db8:A:0:0:12:0:80。
1.2.3 IPv6网络前缀
最后你必须理解网络前缀的概念。网络前缀是指一些规定的bit位和一些未被定义的bit位——可能会被用于创建新的子前缀或者用于定义被分配给自己的完整IPv6地址。
我们看一些例子：
1）网络前缀2001:db8:1::/48（2001:0db8:0001:0000:0000:0000:0000:0000的压缩形式）表示前48bit将总是相同的（2001:0db8:0001），但是我们可以定义其余80bit。例如，获得一个更小的前缀：2001:db8:1:a::/64和2001:db8:1:b::/64。
2）对于上面定义的更小前缀2001:db8:1:b::/64，其前64bit是固定的，后64bit可以由我们自己分配。例如，可以为一个主机分配IPv6接口2001:db8:1:b:1:2:3:4。最后的例子给我们引入了IPv6的基本概念：前缀*A/64经常用于局域网（Local Area Network，LAN）。最右边的64bit被叫做接口标识符(interface identifier,IDD)，因为它在一个由前缀/64所定义的本地网络中唯一地标识了一个主机的接口。下图描述了这个情形：
既然你已经明白了你的第一个IPv6地址，我们就对你将平道的两种地址进行更详细地讨论：保留地址和单播地址。
- 未指明的地址，当没有有效地址的时候，用于占位符:
0:0:0:0:0:0:0:0 (::/128)。 - 回路地址，一个节点发送IPv6地址包到它自身:
0:0:0:0:0:0:0:1 (::1/128) - 文件前缀：
2001:db8::/32。这个前缀被保留用于在例子和文档中使用。你已经在本章中看到过这个前缀了。
在文档[RFC6890]中有介绍，互联网地址编码分配机构IANA负责维护注册具有特殊目的的IPv6地址。
下面是一些单播地址的其他类型:
1. 本地连接地址：在一个连接到网络的IPv6接口中总是存在一个本地连接地址。本地连接地址由前缀FE80::/10开始，且可以用于与该本地网络中其它主机通信，也就是说，所有的主机连接到一个相同的交换机。本地连接地址不能与其他网络中的主机通信，也就是说不能穿过路由器发送、接收包。
2. 唯一本地地址(ULA)[RFC4193]：所有的ULA地址都由前缀FC00::/7开始（在实际中意味着你可以看到FC00::/8或FD00::/8）。ULA用于本地通信，且通常用于在单一点。ULA一般不用于在全球因特网中进行路由选择，而仅仅用于一个更受限的环境中。
3. 全球单播地址：等价于与IPv4的公共地址。全球单播地址在整个因特网中是唯一的，可以被用于从一个站点发送数据包到因特网中的任意目的地。