IPv6

IPv6(Internet Protocol version 6)는 인터넷 프로토콜 스택 중 네트워크 계층의 프로토콜로서 버전 6 인터넷 프로토콜(version 6 Internet Protocol)로 제정된 차세대 인터넷 프로토콜을 말한다. 인터넷(Internet)은 IPv4 프로토콜로 구축되어 왔으나 IPv4 프로토콜의 주소가 32비트라는 제한된 주소 공간 및 국가별로 할당된 주소가 거의 소진되고 있다는 한계점으로 인해 지속적인 인터넷 발전에 문제가 예상되어, 이에 대한 대안으로서 IPv6 프로토콜이 제안되었으며, 국제 표준이 RFC를 통해서 확정되었고, 실제로 IPv6 주소는 휴대폰 및 컴퓨터에 할당되어 적용되고 있다.

인터넷 프로토콜 버전 6

통신 프로토콜
IPv6 헤더
목적	인터네트워크 프로토콜
개발	IETF
도입일	1995년 12월(28년 전)(1995-12)
기반	IPv4
OSI 계층	네트워크 계층
RFC	RFC 2460, RFC 8200

역사

2021년 8월 기준으로 3,684,271,136개가 할당, 588,514,560개가 특수용도, 22,181,600개가 미할당이다.^[1] 그리고 IANA에서의 할당은 더 이상 없는 상태이다.^[2] 그리고 APNIC에서는 1회에 한정하여 1024개만을 할당하고 있다^[3], 2012년 1월 30일자로, 대한민국에 IPv4는 112,231,936개가 할당 되어있다. IPv4 주소는 빠른 속도로 고갈되었으며, 인터넷에 접속된 컴퓨터는 기하급수적인 속도로 증가하고 있다. 또한 모자라는 주소를 더 많은 네트워크에 할당하기 위해 네트워크 프래그멘테이션(Network Fragmentation)은 지속적으로 증가하여 라우터에 많은 부담을 주고 있다.

그러므로 인터넷의 주소 고갈과 네트워크 프래그멘테이션 문제를 해결하고 인터넷에 확장성과 데이터 보안을 강화하기 위해 IPv6가 제안되었다.

IPv6는 팰로앨토 연구소에서 개발하고, 1994년 IETF(국제 인터넷 표준화 기구)가 채택하였다. 처음에는 IP Next Generation(IPng)라고 불렀다.

현재 IPv6의 사용량은 매우 적은 편이며, 인터넷의 나머지 부분은 아직도 IPv4 프로토콜을 사용하고 있다.

2012년 1월 30일 기준으로 IPv6의 2¹²⁸인 약 3.4x10³⁸개^[4] 가운데 21,131,922개의 네트워크 주소(/32)만 전 세계에서 할당되어 사용중이고 이 중에 20,971,520개의 네트워크 주소(/32)는 특수목적용으로 할당되어 있으므로 160,402개의 네트워크 주소(/32)만 실제 사용되고 있다. 대한민국에서는 5,219개의 IPv6 네트워크 주소(/32)를 할당받아 사용 중이다. 참고로 IPv6에서 32비트 네트워크 주소 1개는 65,536개의 최종 사용자를 가지는 최소규모의 IPv6 네트워크 주소이다.

2021년 8월 기준으로는 20,971,520개의 네트워크 주소(/32)는 특수목적용으로 할당되어 있으며 그 외에 330,634개의 네트워크 주소(/32)만 실제로 사용되고 있다. 대한민국에서는 현재 5,263개의 IPv6 네트워크 주소(/32)를 할당받아 사용 중이다.^[5]

특성

IPv6와 기존 IPv4 사이의 가장 큰 차이점은 바로 IP 주소의 길이가 128비트로 늘어났다는 점이다. 이는 폭발적으로 늘어나는 인터넷 사용에 대비하기 위한 것이다. 또한 IPv6는 여러 가지 새로운 기능을 제공하는 동시에 기존 IPv4와의 호환성을 최대로 하는 방향으로 설계되었다. 때문에 몇몇 예외(FTP, NTPv3 등)를 제외하고 대부분의 네트워크 수준 상위 프로토콜들은 큰 수정 없이 IPv6 상에서 동작할 수 있다. IPv6 프로토콜은 다음과 같은 특성을 지니는 프로토콜로 개발되었다.

• IP 주소의 확장 : IPv4의 기존 32 비트 주소공간에서 벗어나, IPv6는 128 비트 주소공간을 제공한다.

• 호스트 주소 자동 설정 : IPv6 호스트는 IPv6 네트워크에 접속하는 순간 자동적으로 네트워크 주소를 부여받는다. 이는 네트워크 관리자로부터 IP 주소를 부여받아 수동으로 설정해야 했던 IPv4에 비해 중요한 이점이다.

• 패킷 크기 확장 : IPv4에서 패킷 크기는 64킬로바이트로 제한되어 있었다. IPv6의 점보 페이로드 옵션을 사용하면 특정 호스트 사이에는 임의로 큰 크기의 패킷을 주고받을 수 있도록 제한이 없어지게 된다. 따라서 대역폭이 넓은 네트워크를 더 효율적으로 사용할 수 있다.

• 효율적인 라우팅 : IP 패킷의 처리를 신속하게 할 수 있도록 고정크기의 단순한 헤더를 사용하는 동시에, 확장헤더를 통해 네트워크 기능에 대한 확장 및 옵션기능의 확장이 용이한 구조로 정의하였다.

• 플로 레이블링(Flow Labeling) : 플로 레이블(flow label) 개념을 도입, 특정 트래픽은 별도의 특별한 처리(실시간 통신 등)를 통해 높은 품질의 서비스를 제공할 수 있도록 한다.

• 인증 및 보안 기능 : 패킷 출처 인증과 데이터 무결성 및 비밀 보장 기능을 IP 프로토콜 체계에 반영하였다. IPv6 확장헤더를 통해 적용할 수 있다.

• 이동성 : IPv6 호스트는 네트워크의 물리적 위치에 제한받지 않고 같은 주소를 유지하면서도 자유롭게 이동할 수 있다. 이와 같은 모바일 IPv6는 RFC 3775와 RFC 3776에 기술되어 있다. (IPv4에도 모바일 IP가 정의되어 있지만 아직 많이 사용되지 않는다.)

IPv6 무상태 주소 자동 설정

• IPv6 무상태의 의미는 어떠한 상태에서도 (Stateless) 자동으로 주소를 설정할 수 있다는 의미가 된다. 요약하면 일반적으로는 주소를 할당 받기 위해서는 RA 메시지를 기다려서 주소를 구성해야 하지만, 해당 링크의 고유성을 보장된 주소를 미리 예약된 알고리즘에 의해서 자동으로 구성할 수 있는 기능이다.
• IPv6 노드의 모든 인터페이스에는 위에 기술된 것처럼 두가지 이상의 주소가 할당되는데 글로벌 주소 및 링크 로컬 주소가 있어야 한다. 링크 로컬 주소는 대개 인터페이스 및 링크 로컬 접두어 FE80 :: / 10 식별자로 자동 구성 된다.
• 링크 로컬 주소는 노드가 링크의 다른 노드와 통신 할 수 있게 하고 노드를 추가 구성하는 데 사용될 수 있다.^[6][7]

노드는 수동 구성이나 DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) 서버와 같은 서버의 도움 없이도 네트워크에 연결하여, 인터넷과 연결될 수 있는 글로벌(전역) IPv6 주소를 자동으로 생성할 수 있다. IPv6을 사용하는 링크의 장치는 라우터 알림(Router Advertisement, RA) 메시지의 모든 글로벌 접두사를 알리고 링크의 기본 장치로서의 기능을 통지 하여 구성한다. RA 메시지는 주기적으로 그리고 시스템 시작시 호스트가 보내는 장치 요청 메시지에 대한 응답으로 전송이 된다. 링크상의 노드는 인터페이스 ID(64 비트)를 RA 메시지에 포함된 접두사(64 비트)에 추가하여 전역 IPv6 주소를 자동으로 구성할 수 있다. 그리고 노드에서 구성한 결과로 나오는 128 비트 IPv6 주소에 중복 주소 검색이 적용되어 링크의 고유성을 보장한다. ICMP 패킷 헤더의 유형 필드에 133의 값을 갖는 장치 요청 메시지는 시스템 시작시 호스트에 의해 보내지므로, 다음 예약 된 네트워크 상에서의 RA 메시지를 기다릴 필요 없이 호스트가 즉시 자동으로 주소를 구성할 수 있다

IPv6 주소공간

IPv4는 32비트의 주소공간을 제공함에 반해, IPv6는 128비트의 주소공간을 제공한다.

32비트 주소공간이란, 32 비트로 표현할 수 있는 주소영역을 지칭한다. 32 비트에 의해 생성할 수 있는 모든 IPv4 주소는 2³²인 4,294,967,296개이다.^[8]

IPv6의 128비트 주소공간은 128 비트로 표현할 수 있는 2¹²⁸개인 약 3.4x10³⁸개(340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456개)^[4]의 주소를 갖고 있어 거의 무한대로 쓸 수 있다.

IPv4 주소에 비해 IPv6 주소는 그 표현 비트 수가 128비트로 IPv4의 32비트에 비해 4배가 되었지만, 생성되는 IPv6 주소공간 영역은 IPv4 주소공간에 비해 2⁹⁶배의 크기를 갖는다.

IPv6 주소공간은 향후 인터넷에 등장할 대량의 유비쿼터스 통신 장치들이 상호 통신을 할 수 있는 주소공간을 제공할 수 있다. 냉장고, TV, AV 스피커, DVD 플레이어, 홈 보안장치, 전화기 등 각 요소 장비들이 지능화하면서 동시에 무선 인터넷 등을 통해 상호 통신할 수 있도록 각 장치(device)에 IPv6 주소를 제공할 수 있다.

128비트의 주소공간은 지표면의 모든 공간에 10m²당 1개씩의 IPv6/48 네트워크를 제공할 수 있을 만큼의 많은 개수를 갖는다. 어떤 사람들은 이 주소가 지나치게 많고, 그렇게 많은 네트워크가 필요하게 될 일은 영원히 없을 거라고 주장하지만, IPv6의 128비트 주소공간은 주소가 바닥나는 것을 막는 것 외에도 네트워크가 여러 개의 작은 단위로 조각나는 것을 막아 라우팅을 빠르게 만들기 위한 목적도 갖는다.

주소 표현

IPv6의 128비트 주소공간은 다음과 같이 16비트(2옥텟)를 16진수로 표현하여 8자리로 나타낸다.

2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7334

그러나 대부분의 자리가 0의 숫자를 갖게 되므로, 0000을 하나의 0으로 축약하거나, 혹은 아예 연속되는 0의 그룹을 없애고 ':' 만을 남길 수 있다. 따라서 아래의 IPv6 주소들은 모두 같은 주소를 나타낸다.

2001:0DB8:0000:0000:0000:0000:1428:57ab
2001:0DB8:0000:0000:0000::1428:57ab
2001:0DB8:0:0:0:0:1428:57ab
2001:0DB8:0::0:1428:57ab
2001:0DB8::1428:57ab

또한 맨 앞자리의 0도 축약할 수 있다. 따라서 2001:0DB8:02de::0e13는 2001:DB8:2de::e13로 축약할 수 있다.

그러나 0을 축약하고 ':'로 없애는 규칙은 두 번이나 그 이상으로 적용할 수 없다. 만약 두 번 이상 적용하는 것이 허용되어 2001::25de::cade와 같은 표현이 가능하다면, 이 표현은 다음의 네 가지 주소 가운데 어떤 것을 가리키는지 의미가 불분명해질 것이다.

2001:0000:0000:0000:0000:25de:0000:cade
2001:0000:0000:0000:25de:0000:0000:cade
2001:0000:0000:25de:0000:0000:0000:cade
2001:0000:25de:0000:0000:0000:0000:cade

네트워크 표현

IPv6 네트워크(혹은 서브넷)는 2의 제곱수를 크기로 갖는 IPv6 주소들의 집합이다. 네트워크 주소는 네트워크 프리픽스 뒤에 프리픽스의 '/' 기호와 함께 비트 수를 붙여서 나타낸다. 2001:1234:5678:9ABC::/64는 2001:1234:5678:9ABC::부터 2001:1234:5678:9ABC:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF까지의 주소를 갖는 네트워크를 나타낸다.

IPv4 주소의 IPv6 형태

기존 네트워크와의 호환성을 위해, IPv4 주소는 다음과 같은 세 가지 방법을 통해 IPv6 주소로 나타낼 수 있다.

• 표준 IPv6 표기: IPv4 주소 192.0.2.52는 16진수로 표시하면 0xC0000234가 된다. 이를 그대로 IPv6 주소로 변경하면 0000:0000:0000:0000:0000:0000:C000:0234가 되고, 줄이면 ::C000:0234가 된다.

• IPv4 호환 주소: IPv4와의 호환성과 가독성을 위해 기존 표기에 '::' 만을 붙여 ::192.0.2.52와 같이 쓸 수 있다. 그러나 이 방법은 더 이상 사용되지 않아 폐기될 예정이다.

• IPv4 매핑 주소: IPv6 프로그램에게 IPv4와의 호환성을 유지하기 위해 사용하는 다른 방법으로, 처음 80비트를 0으로 설정하고 다음 16비트를 1로 설정한 후, 나머지 32비트에 IPv4 주소를 기록하는 IPv4 매핑 주소가 존재한다. 이 주소공간에서는 마지막 32비트를 10진수로 표기할 수 있다. 따라서 192.0.2.52는 ::ffff:192.0.2.52와 같이 쓸 수 있다.

특수 주소 공간

•  ::/128 - 이 주소는 모든 값을 0으로 설정한 특수한 주소이다. 가상적으로만 사용된다. IP 미설정 상태의 발신 주소이다..
•  ::1/128 - 자기 자신의 주소를 가리키는 루프백 주소이다. 프로그램에서 이 주소로 패킷을 전송하면 네트워크는 전송자에게로 패킷을 반송한다. IPv4의 127.0.0.1 주소와 동일하다.
•  ::/96 - IPv4 호환 주소를 위해 사용되는 주소공간이다.
•  ::ffff:0:0/96 - IPv4 매핑 주소를 위해 사용되는 주소공간이다.
• fc00::/7 - IPv6 유니캐스트를 위한 주소공간이다.
• fe80::/10 - link-local address를 위한 주소공간이다. IPv4의 자동 설정 IP 주소인 169.254.x.x 에 해당한다.
• fec0::/10 - site-local address를 위한 주소공간이다. 네트워크 내부에서만 유효한 주소이며, 2004년 10월 RFC3879에서 폐기되어 더 이상 사용되지 않는다.
• ff00::/8 - IPv6 멀티캐스트를 위한 주소공간이다. IPv4의 브로드캐스트는 더 이상 지원되지 않으며, IPv6에서는 대신 멀티캐스트를 사용해야 한다.

IPv6 전환 기술

듀얼스택

• IPv4/IPv6 듀얼스택은 IPv6 노드가 IPv4 전용 노드와 호환성을 유지하는 가장 쉬운 방법이다. IPv6/IPv4 듀얼스택 노드는 IPv4와 IPv6 패킷을 모두 주고 받을 수 있는 능력이 있어, IPv4 패킷을 사용하여 IPv4 노드와 직접 호환된다. 또한, IPv6 패킷을 사용하여 IPv6 노드와 직접 호환된다.

• 듀얼스택 노드의 주소 설정

  IPv4/IPv6 듀얼스택 노드는 두 프로토콜을 모두 지원하므로 IPv4 주소와 IPv6 주소로 모두 설정할 수 있다. IPv4/IPv6 듀얼스택 노드는 IPv4 메커니즘(예; DHCP)을 사용하여 그 IPv4 주소를 얻고, IPv6 프로토콜 메커니즘을 사용하여 해당 IPv6 전용 주소를 얻을 수 있다.

  • 듀얼스택 노드의 DNS 이름 해석

    IPv4/IPv6 듀얼스택 노드는 IPv4 및 IPv6 노드와 직접 호환될 수 있어야 하므로 IPv4 A 레코드는 물론이고, IPv6 AAAA 레코드도 처리할 수 있는 주소 해석기 라이브러리(DNS Resolver Library)를 제공해야 한다. 하지만 IPv6 주소를 가진 AAAA 레코드와 IPv4 주소를 가진 A 레코드를 조회할 경우 주소 해석기 라이브러리는 그 노드와의 통신에 사용되는 IP 패킷 버전에 영향을 미치기 위해 응용에 반환된 결과를 필터링하거나 순서를 정할 수 있다.

터널링

• 터널링은 IPv6/IPv4 호스트와 라우터에서 IPv6 데이터그램을 IPv4 패킷에 캡슐화하여 IPv4 라우팅 토폴로지 영역을 통해 전송하는 방법이다. 터널링은 기존의 IPv4 라우팅 인프라를 활용하여 IPv6 트래픽을 전송하는 방법을 제공한다. IPv6 패킷은 그 영역에 들어갈때 IPv4 패킷 내에 캡슐화되고, 그 영역을 나올 때 역캡슐화 된다.

  IPv6-in-IPv4 터널링 방법은 크게 설정 터널링(configured tunneling) 방식과 자동 터널링(automatic tunneling) 방식으로 구분된다.

  • 설정 터널링

    6Bone에서 주로 사용하는 방법으로 두 라우터 간(혹은 호스트 간)의 IPv4 주소를 통해 수동으로 정적인 터널을 설정하는 방식이다.

  • 자동 터널링

    IPv4-호환 주소를 이용하여 수동 설정 없이 IPv4 구간을 통과할 때면 IPv4 호환 주소에 내포되어 있는 IPv4 주소를 통해 자동으로 터널링을 하여주는 방식이다.

• Tunneling 기술의 문제

1. Tunnel의 양단간의 장비는 반드시 두 개의 프로토콜을 지원하는 장비(Dual Stack)이어야 한다.
2. Tunnel의 양단간의 장비에서는 반드시 변환 프로토콜 번호를 허용해야 하기 때문에 보안상 문제가 발생한다. (IPv6의 프로토콜이 41번이므로, Tunnel 양단 장비에서 41번 프로토콜을 허용해야 터널링 구성 가능)
3. Tunneling에 의한 패킷 크기 증가로 패킷의 분할될 수 있으며 이는 장비의 부하량을 증가 시킨다.

주소 변환

• IPv6와 IPv4 간의 주소 전환 장비를 이용하여, 기존의 IPv4에서 사용되던 NAT 기술과 마찬가지로 IPv6와 IPv4 간의 Address Table을 생성하여 양단간의 통신이 가능하도록 한다.

  이러한 기술은 IPv4 패킷과 IPv6의 패킷에서 IPv4 헤더와 IPv6 헤더를 제외한 상위 계층은 동일한 구조로 생성되어 있기 때문에 IPv4, IPv6 헤더 부분을 전환하며 그대로 데이터를 전송할 수 있게 한다. 다만, 상위 계층의 패킷에 IP정보가 포함된 프로토콜이 포함된 경우에는 동작 과정이 더 복잡하고 제한적으로 동작할 수 있다. (DNS, FTP 등)

                ┌────────────────┐      ┌───────────────┐      ┌────────────────┐
                │  IPv6 Network                  │<──>│           Translater         │<──>│           IPv4 Network         │
                └────────────────┘      └───────────────┘      └────────────────┘

• 주소 전환 프로토콜 계층에 따라서 다음의 3가지로 분류할 수 있다.

1. SIIT(Stateless Ip/Icmp Translation)
2. TRT(Transport relay Translator)
3. ALG(Application Level Gateway)

IPv6 표준 문서6

• (영어) RFC2460 Internet Protocol, Version 6 (IPv6) 규격
• (영어) RFC4291 Internet Protocol Version 6 (IPv6) 주소 할당 구조
• (영어) RFC4861 Neighbor Discovery for IP Version 6 (IPv6)
• (영어) RFC4884 Internet Control Message Protocol (ICMPv6) for the Internet Protocol 333367 6 (IPv6) 규격ㄷㄴㅅㄴ

각주

1. 한국인터넷진흥원 IP주소/AS번호 해외현황 IPv4
2. http://www.icann.org/en/news/releases/release-03feb11-en.pdf
3. IPv4 할당, 사실상 종료, 데이터넷, 2011년 4월 14일.
4. 0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000 ~ FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF:FFFF이며, 이는 결국 (16x16x16x16)⁸ = 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456개가 된다.
5. 한국인터넷진흥원 IP주소/AS번호 해외현황 IPv6
6. IP Addressing: DHCP Configuration Guide, Cisco IOS XE 17 Chapter: DHCPv6 Server Stateless Autoconfiguration
7. CISCO Technology Support IP Version 6 (IPv6) Configuration Examples and TechNotes Understanding IPv6 Link Local Address
8. 000.000.000.000 ~ 255.255.255.255이며, 이는 결국 256⁴개가 된다. 999.999.999.999 까지가 아니다.

외부 링크

• (영어) IPv6 포럼