IPv6 網路基礎 Linux 訊號 RAID 技術

IPv6 作為新一代網際網路協定，解決了 IPv4 位址枯竭的問題，其 128 位元的位址空間足以滿足未來大量的網路裝置需求。除了龐大的位址空間，IPv6 也簡化了位址組態和管理，並提升了安全性。Linux 訊號是系統程式設計中重要的程式間通訊機制，用於處理各種事件和異常，例如終止程式、處理中斷等。理解訊號的種類別和處理方式對於開發穩定的應用程式至關重要。RAID 技術則提供了一種提升儲存可靠性和效能的方案，不同 RAID 等級適用於不同的應用場景，需要根據實際需求進行選擇。

IPv6 網路基礎與 CIDR 表解析

IPv6 是網際網路協定第六版（Internet Protocol version 6）的縮寫。相較於 IPv4，IPv6 在定址標準上有多項重大差異。首先，IPv6 支援 128 位元的位址空間，而 IPv4 僅支援 32 位元。這意味著 IPv4 只有約 43 億個可用位址。

IPv6 的龐大位址空間

IPv6 的 128 位元位址空間提供了總計 $2^{128}$ 個位址，具體數字為 340,282,366,920,938,463,463,374,607,431,768,211,456（或稱 340 澗）。為了幫助理解這個數字的龐大，有人做了一個比喻：「如果有一份工作每小時支付你 390 兆美元，你需要每天工作 24 小時，每週 7 天，每年 365 天，持續工作近 100 兆年，才能賺到 340 澗美元。」

IPv6 的關鍵事實

IPv6 的定義始於 1998 年（根據 RFCs 2460-2467），並於 2011 年正式佈署於生產環境。IPv6 被設計為下一代 IP 定址標準，以取代 IPv4。以下是一些關於 IPv6 的有趣事實（根據 2018 年的統計資料）：

超過 25% 的網際網路連線網路宣稱支援 IPv6 連線。
Google 報告指出，在 24 個國家中，IPv6 流量的比例超過了 15%。
大多數現代裝置、作業系統和應用程式已經支援 IPv6 定址。

IPv6 定址

IPv6 位址為 128 位元，為了使其易於閱讀，通常寫作八組 16 位元的十六進位制字元，每組字元之間以冒號分隔。例如：

2001:0AF3:0000:0000:0000:3044:0044:C14F

縮短 IPv6 位址的技術

為了使 IPv6 位址更易讀寫，人們發展了縮短技術：

省略前導零（例如：0044 簡化為 44）：
```
2001:AF3:0:0:0:3044:44:C14F
```
省略連續的零（例如：0000:0000:0000: 可以縮寫為 ::）：
```
2001:AF3::3044:44:C14F
```

位址範圍與型別

IPv6 有三種主要的單播（Unicast，即網路上單一傳送者與單一接收者之間的通訊）位址型別：

全球單播位址（Global Unicast Addresses）：可在外部網路路由（即網際網路）。
唯一本地位址（Unique Local）：可在內部網路路由（例如 VPN），但不可在外部網路路由。
鏈路本地位址（Link Local）：不可路由（內部和外部均不可）。

其他位址型別

任播（Anycast）：標識一組介面，通常位於不同位置，其中最近的一個會被自動選中（根據路由距離）。
多播（Multicast）：用於將一個封包傳送到多個介面。IPv6 的多播功能與 IPv4 相似。

全球單播位址（外部網路或網際網路）

全球單播位址以 2001: 開頭，相當於 IPv4 中的公網 IP 位址空間，用於網際網路服務，如 Web 伺服器等。IANA 負責將 IPv6 位址區塊分配給 ISP，然後由 ISP 分配給客戶。

全球單播位址結構

IPv6 位址被分成兩個部分：網路和節點。這是透過將位址分成兩個 64 位元段來實作的。前 64 位元用於路由，後 64 位元用於標識系統介面。

鏈路本地位址與唯一本地位址（內部網路）

這兩種型別的位址相當於 IPv4 中的私有 IP 位址（例如，Class A 的 10.0.0.0、Class B 的 172.16.0.0、Class C 的 192.168.0.0）。這些位址是為內部網路保留的範圍，可以被不同的組織反覆使用，但不能在外部網路路由。

@startuml
skinparam backgroundColor #FEFEFE
skinparam componentStyle rectangle

title IPv6 網路基礎 Linux 訊號 RAID 技術

package "網路架構" {
    package "應用層" {
        component [HTTP/HTTPS] as http
        component [WebSocket] as ws
        component [gRPC] as grpc
    }

    package "傳輸層" {
        component [TCP] as tcp
        component [UDP] as udp
        component [TLS/SSL] as tls
    }

    package "網路層" {
        component [IP] as ip
        component [ICMP] as icmp
        component [路由協議] as routing
    }

    package "鏈路層" {
        component [Ethernet] as eth
        component [WiFi] as wifi
        component [ARP] as arp
    }
}

http --> tcp
ws --> tcp
grpc --> tcp
tcp --> tls : 加密
tls --> ip
udp --> ip
ip --> routing
routing --> eth
routing --> wifi
eth --> arp

@enduml

此圖示說明瞭 IPv6 主要的單播位址型別及其特性

IPv6 位址型別與特殊位址解析

IPv6 協定引入了多種新型的位址型別，以滿足現代網路架構的需求。這些位址不僅在規模上遠超 IPv4，也在功能性和靈活性上有了顯著提升。

唯一本地位址（Unique Local Address）

唯一本地位址是用於組織內部網路的私有位址，類別似於 IPv4 中的私有 IP 位址。這類別位址的特點是：

字首（Prefix）：以 FD00::/8 開始
全域 ID（Global ID）：接下來的 40 位元是一個隨機產生的值，用於標識組織內的不同站點（site）
子網 ID（Subnet ID）：16 位元，用於進一步劃分子網以最佳化路由
介面 ID（Interface ID）：最後的 64 位元，用於標識子網內的特定介面

程式碼範例：產生唯一本地位址

import random

def generate_unique_local_address():
    # 產生隨機的全域 ID
    global_id = format(random.getrandbits(40), 'x').zfill(10)
    # 假設子網 ID 為 0
    subnet_id = '0000'
    # 介面 ID 使用 EUI-64 格式，這裡簡化為隨機產生
    interface_id = format(random.getrandbits(64), 'x').zfill(16)
    
    # 組合位址
    ula = f'fd{global_id[:4]}:{global_id[4:]}:{subnet_id}::{interface_id}'
    return ula

print(generate_unique_local_address())

內容解密：

generate_unique_local_address 函式：該函式用於產生一個唯一的本地位址。它首先生成一個 40 位元的隨機數作為全域 ID。
global_id 變數：將產生的隨機數格式化為十六進位制字串，並填充零以滿足長度要求。
subnet_id 和 interface_id：子網 ID 在此範例中被簡化為 0000，而介面 ID 則是另一個隨機產生的 64 位元十六進位制數。
位址組合：將字首 fd 與全域 ID、子網 ID 和介面 ID 組合，形成完整的唯一本地位址。

連結本地位址（Link Local Address）

連結本地位址僅在特定的鏈路上有效，不會被路由器轉發至其他鏈路。這類別位址用於鄰居發現、無狀態自動組態等。

字首：FE80::/64
介面 ID：最後 64 位元，用於標識鏈路上的特定介面

連結本地位址結構

FE80:0AF3:0000:0000:0000:3044:0044:C14F
|
---
-
---
--64-Bits
---
-
---
--||
---
-
---
--64-Bits
---
-
---
--|
|      網路部分          |        介面 ID         |

環回位址（Loopback Address）

IPv6 的環回位址用於測試網路堆積疊是否正常運作，類別似於 IPv4 中的 127.0.0.1。

環回位址：::1 或 0000:0000:0000:0000:0000:0000:0000:0001

測試環回位址

ping6 ::1

IPv6 多播位址（Multicast Addresses）

多播位址用於將封包傳送給多個介面。多播位址範圍從 FF00::/8 開始。

介面本地多播：FF01::
鏈路本地多播：FF02::
站點本地多播：FF05::

IPv6 CIDR 表

IPv6 的 CIDR（無類別域間路由）表用於表示不同的位址範圍和子網路大小。下表展示了不同字首長度對應的位址範圍和數量。

| CIDR | 起始位址 | 結束位址 | 總位址數 | |

|

| | ::/0 | :: | ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff | 256 UD | | 2000::/3 | 2000:: | 3fff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff:ffff | 32 UD | | … | … | … | … |

程式碼範例：計算 CIDR 位址範圍

import ipaddress

def calculate_cidr_range(cidr_notation):
    network = ipaddress.ip_network(cidr_notation, strict=False)
    return network.num_addresses

# 範例用法
cidr = '2000::/3'
print(f'{cidr} 的總位址數：{calculate_cidr_range(cidr)}')

內容解密：

calculate_cidr_range 函式：該函式使用 ipaddress 模組計算給定 CIDR 表示法下的總位址數。
ip_network 方法：根據提供的 CIDR 表示法建立一個 IPv6Network 物件。
num_addresses 屬性：傳回該網路中的總位址數。

IPv6 位址組態與子網路劃分詳解

IPv6 提供了龐大的位址空間，使其能夠支援無數裝置的連線。在進行網路規劃時，瞭解如何劃分子網路和分配位址是至關重要的。

IPv6 位址表示法

IPv6 位址採用 128 位元長度，通常以十六進位表示，並分成八組，每組四個十六進位數字。例如：2001:0db8:0000:0000:0000:ff00:0042:8329。為了簡化表示，IPv6 允許省略前導零和連續的零段。因此，上述位址可簡寫為 2001:db8::ff00:42:8329。

子網路字首與位址範圍

在 IPv6 中，子網路的大小由其字首長度（prefix length）決定，通常以斜線後面的數字表示，如 /64 或 /48。字首長度定義了網路部分的位元數，而剩餘的位元則用於主機定址。

不同大小的 IPv6 子網路

以下是從 /49 到 /128 的不同子網路大小及其對應的位址數量：

| 子網路字首 | 起始位址 | 結尾位址 | 位址數量 | 單位 | |

-|

|

| | /49 | 2001:db8:: | 2001:db8:0:7fff:ffff:ffff:ffff:ffff | 512 | SX | | /50 | 2001:db8:: | 2001:db8:0:3fff:ffff:ffff:ffff:ffff | 256 | SX | | … | … | … | … | … | | /64 | 2001:db8:: | 2001:db8:0:0:ffff:ffff:ffff:ffff | 16 | QT | | … | … | … | … | … | | /96 | 2001:db8:: | 2001:db8:0:0:0:0:ffff:ffff | 4 | G | | … | … | … | … | … | | /128 | 2001:db8:: | 2001:db8:: | 1 | |

內容解密：

上述表格展示了不同子網路大小對應的位址數量。從 /49 到 /128，每個子網路的大小減半，位址數量也相應減少。單位如 SX、QT、QD、T、G、M、K 等代表不同數量級的位址數量，分別對應 Sextillion、Quintillion、Quadrillion、Trillion、十億、百萬、千。

IPv6 相對網路大小

/128：單一 IPv6 位址（一個網路介面）
/64：一個 IPv6 子網（包含 18,446,744,073,709,551,616 個 IPv6 位址）
/56：256 個 LAN 段（常見的單一使用者端網站字首大小）
/48：65,536 個 LAN 段（常見的單一使用者端網站字首大小）
/32：65,536 個 /48 使用者端網站（最小的 IPv6 分配單位）

內容解密：

這些相對網路大小表明了不同場景下 IPv6 的應用規模。例如，/64 子網可用於大型組織，而 /56 和 /48 則常用於 ISP 向使用者端分配位址空間。/32 是 ISP 從區域網際網路序號產生器構（RIR）獲得的最小分配單位，可用於進一步劃分給多個使用者端。

Linux 訊號（Signals）深度解析與應用

Linux 訊號是一種由作業系統或程式傳送給其他程式的非同步通知機制。它在處理程式間通訊、例外處理等方面扮演著至關重要的角色。瞭解 Linux 訊號的工作原理對於開發高效、穩定的系統程式至關重要。

訊號的基本概念

Linux 核心實作了大約 30 種訊號，每種訊號都由一個編號識別（從 1 到 30）。訊號不攜帶任何引數，其名稱通常具有自解釋性。例如，SIGKILL（訊號編號 9）用於強制終止程式，而 SIGHUP（訊號編號 1）在終端機結束通話時發出。

常見訊號解析

訊號名稱	編號	描述
SIGHUP	1	終端機結束通話（POSIX）
SIGINT	2	終端中斷（ANSI）
SIGQUIT	3	終端離開（POSIX）
SIGILL	4	非法指令（ANSI）
SIGKILL	9	終止程式（無法被捕捉或忽略）（POSIX）
SIGSEGV	11	無效的記憶體區段存取（ANSI）
SIGTERM	15	終止（ANSI）

大多數訊號可以被程式捕捉並自定義處理邏輯，但 SIGKILL 和 SIGSTOP 是例外，它們總是會終止或停止程式。

訊號的應用場景

訊號廣泛應用於各種命令和程式設計中，例如：

skill、snice：用於管理程式的優先順序和訊號傳送。
strace：追蹤程式的系統呼叫和訊號。
trap：在 shell 程式設計中捕捉訊號並執行特定操作。

OSI 七層網路模型詳解

OSI（開放式系統互連）模型是一個包含七層的參考模型，所有網路程式和程式都歸屬於這七層之一。瞭解 OSI 模型有助於深入理解網路架構和診斷網路問題。

七層模型解析

第 7 層：應用層

功能：網路程式與應用程式之間的介面（如 DNS、FTP、Telnet、HTTP）。
描述：此層執行著使用網路的程式，如網頁瀏覽器、電子郵件客戶端等。

第 6 層：表示層

功能：資料表示（如加密和解密），將機器依賴的資料轉換為機器無關的資料。
描述：轉換傳入和傳出的資料格式，例如從未加密鑰字到加密鑰字。

第 5 層：會話層

功能：主機間的通訊，管理程式之間的會話。
描述：協調和終止資料傳輸，提供認證和重新連線服務。

第 4 層：傳輸層

功能：端對端連線、可靠性和流量控制。
描述：管理資料的分組傳輸，包括傳輸確認和錯誤檢查。

第 3 層：網路層

功能：路徑選擇和邏輯定址。
硬體裝置：路由器和智慧交換機。
描述：在 OSI 模型的物理層、資料鏈路層和網路層上運作，負責資料路由。

第 2 層：資料鏈路層

功能：物理定址。
硬體裝置：傳統交換機和橋接器。
描述：在本地硬體內部將資料路由到特定埠。

第 1 層：物理層

功能：媒體、訊號和二進位制傳輸。
硬體裝置：舊式網路集線器和無線網路。
描述：在物理媒體或無線連線上將資料無智慧地路由到所有裝置。

RAID 磁碟陣列技術深度解析

RAID（獨立磁碟冗餘陣列）技術透過條帶化、映象或奇偶校驗等技術，從多個通用儲存裝置（如硬碟或固態硬碟硬碟）建立大型、可靠的資料儲存系統。常見的 RAID 等級包括 RAID 0（條帶化）、RAID 1（映象）、RAID 5（分散式奇偶校驗）和 RAID 6（雙重奇偶校驗）。

RAID 的基本原理

RAID 技術透過犧牲部分儲存容量來換取更高的速度或冗餘度。唯一的例外是 RAID 0，它提供更高的容量和速度，但不具備冗餘能力。

常見 RAID 等級

RAID 0

資料條帶化在所有磁碟上，提高儲存容量和資料吞吐量，但不具備容錯能力。
最少磁碟數量：2
容錯能力：無
儲存空間開銷：無
讀取速度：快速

RAID 的實作方式

RAID 有硬體和軟體兩種實作方式。硬體 RAID 通常效能更好，而軟體 RAID 提供更多的功能和彈性。根據具體需求選擇適合的實作方式至關重要。

玄貓 BlackCat

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。