Table Of ContentThird Generation
Internet Revealed
Reinventing Computer Networks with IPv6
—
Lawrence E. Hughes
Foreword by Latif Ladid, President of the
Global IPv6 Forum
Third Generation Internet
Revealed
Reinventing Computer Networks
with IPv6
Lawrence E. Hughes
Foreword by Latif Ladid, President of the Global IPv6 Forum
Third Generation Internet Revealed: Reinventing Computer Networks with IPv6
Lawrence E. Hughes
Frisco, TX, USA
ISBN-13 (pbk): 978-1-4842-8602-9 ISBN-13 (electronic): 978-1-4842-8603-6
https://doi.org/10.1007/978-1-4842-8603-6
Copyright © 2022 by Lawrence E. Hughes
This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the
material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation,
broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information
storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now
known or hereafter developed.
Trademarked names, logos, and images may appear in this book. Rather than use a trademark symbol with
every occurrence of a trademarked name, logo, or image we use the names, logos, and images only in an
editorial fashion and to the benefit of the trademark owner, with no intention of infringement of the
trademark.
The use in this publication of trade names, trademarks, service marks, and similar terms, even if they are not
identified as such, is not to be taken as an expression of opinion as to whether or not they are subject to
proprietary rights.
While the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication,
neither the authors nor the editors nor the publisher can accept any legal responsibility for any errors or
omissions that may be made. The publisher makes no warranty, express or implied, with respect to the
material contained herein.
Managing Director, Apress Media LLC: Welmoed Spahr
Acquisitions Editor: Joan Murray
Development Editor: Laura Berendson
Coordinating Editor: Jill Balzano
Cover designed by eStudioCalamar
Cover image designed by Freepik (www.freepik.com)
Distributed to the book trade worldwide by Springer Science+Business Media New York, 1 New York Plaza,
Suite 4600, New York, NY 10004-1562, USA. Phone 1-800-SPRINGER, fax (201) 348-4505, e-mail orders-ny@
springer-sbm.com, or visit www.springeronline.com. Apress Media, LLC is a California LLC and the sole
member (owner) is Springer Science + Business Media Finance Inc (SSBM Finance Inc). SSBM Finance Inc
is a Delaware corporation.
For information on translations, please e-mail booktranslations@springernature.com; for reprint,
paperback, or audio rights, please e-mail bookpermissions@springernature.com.
Apress titles may be purchased in bulk for academic, corporate, or promotional use. eBook versions and
licenses are also available for most titles. For more information, reference our Print and eBook Bulk Sales
web page at http://www.apress.com/bulk-sales.
Any source code or other supplementary material referenced by the author in this book is available to
readers on GitHub (https://github.com/Apress). For more detailed information, please visit http://www.
apress.com/source- code.
Printed on acid-free paper
This book is dedicated to my beautiful wife of 28 years, Remy Hughes.
She has been through thick and thin with me, and we have raised three
children. She has been very supportive of me in my career, including
spending tons of time on this book (as well as my book on AD
Certificate Services, also from Apress). I have had to travel a great deal
teaching PKI and IPv6, in addition to speaking at international IPv6
summits. We are both very proud of our grown kids, both of whom
passed the IPv6 Certified Network Engineer course and are now
working in IT in Texas. Here’s hoping for many more years together as
the world transitions to the Third Internet!
Table of Contents
About the Author �����������������������������������������������������������������������������������������������������xv
About the Technical Reviewer �������������������������������������������������������������������������������xvii
Acknowledgments ��������������������������������������������������������������������������������������������������xix
Foreword ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������xxi
Introduction ����������������������������������������������������������������������������������������������������������xxiii
Chapter 1: Introduction���������������������������������������������������������������������������������������������1
History of This Work and the Term “Third Internet” ����������������������������������������������������������������������1
Why IPv6 Is Important �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������6
Wait� How Can the Internet Grow to 75 Billion Nodes? �����������������������������������������������������������8
Why Was 2011 a Significant Year for the Second Internet?�����������������������������������������������������9
An Analogy: The Amazing Growing Telephone Number ���������������������������������������������������������10
So Just What Is It That We Are Running Out Of? ��������������������������������������������������������������������11
But You Said There Were 4�3 Billion IPv4 Addresses? �����������������������������������������������������������13
Is IPv6 Just an Asian Thing? ��������������������������������������������������������������������������������������������������14
So Exactly What Is This “Third Internet”? �����������������������������������������������������������������������������������15
Is It the Next-Generation Network (NGN) That Telcos Talk About? �����������������������������������������16
Is It Internet2 or National LambdaRail? ���������������������������������������������������������������������������������20
Is It Web 2.0? �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������22
Whatever Happened to IPv5? ������������������������������������������������������������������������������������������������������26
Let’s Eliminate the Middleman ����������������������������������������������������������������������������������������������������28
Why Am I the One Writing This Book? Just Who Do I Think I Am, Anyway? ��������������������������������29
Summary�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������29
v
Table of ConTenTs
Chapter 2: History of Computer Networks Up to IPv4 ��������������������������������������������31
Real Computer Networking ���������������������������������������������������������������������������������������������������������32
Ethernet and Token Ring ��������������������������������������������������������������������������������������������������������32
Network Software ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������33
The Beginnings of the Internet (ARPANET) ����������������������������������������������������������������������������������34
UNIX ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������36
Open System Interconnection (OSI) ���������������������������������������������������������������������������������������37
Email Standardization������������������������������������������������������������������������������������������������������������38
Evolution of the World Wide Web �������������������������������������������������������������������������������������������38
And That Brings Us Up to Today ��������������������������������������������������������������������������������������������������39
Summary and a Look Ahead �������������������������������������������������������������������������������������������������������40
Chapter 3: Review of IPv4 ��������������������������������������������������������������������������������������41
Network Hardware ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������41
RFCs: The Internet Standards Process ����������������������������������������������������������������������������������������45
IPv4 ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������47
Four-Layer (“DoD”) IPv4 Architectural Model ������������������������������������������������������������������������48
IPv4: The Internet Protocol, Version 4������������������������������������������������������������������������������������������51
Relevant Standards for IPv4 ��������������������������������������������������������������������������������������������������52
IPv4 Packet Header Structure ������������������������������������������������������������������������������������������������53
IPv4 Addressing Model ����������������������������������������������������������������������������������������������������������57
Network Ports ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������57
IPv4 Subnetting ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������59
MAC Addresses ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������62
Mapping from IPv4 Addresses to Link Layer Addresses ��������������������������������������������������������63
Address Resolution Protocol (ARP) ����������������������������������������������������������������������������������������63
Inverse ARP (InARP) ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������65
Types of IPv4 Packet Transmissions �������������������������������������������������������������������������������������������66
IPv4 Broadcast�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������66
IPv4 Multicast ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������67
Relevant Standards for IPv4 Multicast ����������������������������������������������������������������������������������70
Internet Group Management Protocol (IGMP) ������������������������������������������������������������������������72
vi
Table of ConTenTs
ICMPv4: Internet Control Message Protocol for IPv4 �������������������������������������������������������������������73
IPv4 Routing ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������76
Relevant Standard for IPv4 Routing ���������������������������������������������������������������������������������������78
Network Address Translation (NAT) ���������������������������������������������������������������������������������������������82
Relevant Standard for IPv4 NAT ���������������������������������������������������������������������������������������������83
Connection Without NAT (Inside the LAN) ������������������������������������������������������������������������������86
Connection Through Hide-Mode NAT �������������������������������������������������������������������������������������87
BINAT (One-to-One NAT) ��������������������������������������������������������������������������������������������������������89
Ramifications of Using NAT ���������������������������������������������������������������������������������������������������90
Basic IPv4 Routing ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������93
TCP: The Transmission Control Protocol ��������������������������������������������������������������������������������������94
Standards Relevant to TCP ����������������������������������������������������������������������������������������������������94
TCP Packet Header ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������97
UDP: The User Datagram Protocol ���������������������������������������������������������������������������������������������101
Standards Relevant to UDP ��������������������������������������������������������������������������������������������������102
UDP Packet Header ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������103
DHCPv4: Dynamic Host Configuration Protocol for IPv4 ������������������������������������������������������������104
The DHCPv4 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������106
Useful Commands Related to DHCPv4 ���������������������������������������������������������������������������������108
IPv4 Network Configuration �������������������������������������������������������������������������������������������������109
Manual Network Configuration �������������������������������������������������������������������������������������������������110
Auto Network Configuration Using DHCPv4 ������������������������������������������������������������������������������111
Summary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������116
Chapter 4: The Depletion of the IPv4 Address Space �������������������������������������������119
OECD IPv6 Report, March 2008 �������������������������������������������������������������������������������������������������120
OECD Follow-Up Report on IPv6, April 2010 ������������������������������������������������������������������������������125
OECD Second Follow-Up Report on IPv6, November 2014 ��������������������������������������������������������127
How IPv4 Addresses Were Allocated in the Early Days �������������������������������������������������������������131
Original “Classful” Allocation Blocks �����������������������������������������������������������������������������������131
Classless Inter-Domain Routing (CIDR) ��������������������������������������������������������������������������������135
vii
Table of ConTenTs
Problems Introduced by Customer Premises Equipment NAT (CPE NAT) ����������������������������������137
Implementing NAT at the Carrier: Carrier-Grade NAT (CGN) ������������������������������������������������������141
Summary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������146
Chapter 5: IPv6 Deployment Progress ������������������������������������������������������������������147
Google Statistics �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������152
Predictions for Future Years ������������������������������������������������������������������������������������������������������155
Summary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������156
Chapter 6: IPv6 Core Protocols �����������������������������������������������������������������������������157
Network Hardware ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������157
RFCs: A Whole Raft of New Standards for IPv6 �������������������������������������������������������������������������162
IPv6 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������164
Four-Layer IPv6 Architectural Model �����������������������������������������������������������������������������������173
Link Layer Issues with IPv6 �������������������������������������������������������������������������������������������������175
IPv6: The Internet Protocol, Version 6����������������������������������������������������������������������������������������176
IPv6 Packet Header Structure ����������������������������������������������������������������������������������������������176
IPv6 Addressing Model ��������������������������������������������������������������������������������������������������������181
IPv6 Packet Transmission Types ������������������������������������������������������������������������������������������182
IPv6 Address Scopes �����������������������������������������������������������������������������������������������������������183
IPv6 Address Types ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������184
Automatically Generated Interface Identifiers Based on EUI-64 ������������������������������������������194
Randomized Interface Identifiers ����������������������������������������������������������������������������������������195
IPv6 Address Allocation �������������������������������������������������������������������������������������������������������196
Subnetting in IPv6 ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������203
Link Layer Addresses ����������������������������������������������������������������������������������������������������������204
Neighbor Discovery (ND) Protocol ���������������������������������������������������������������������������������������������204
Router Discovery �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������207
Address Resolution (Mapping IPv6 Addresses to MAC Addresses) �������������������������������������208
Prefix Discovery �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������208
Duplicate Address Detection (DAD) �������������������������������������������������������������������������������������209
Stateless Address Autoconfiguration (SLAAC) ���������������������������������������������������������������������210
viii
Table of ConTenTs
Next-Hop Determination ������������������������������������������������������������������������������������������������������212
Neighbor Unreachability Detection (NUD) ����������������������������������������������������������������������������213
Redirect �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������214
SEcure Network Discovery (SEND) ��������������������������������������������������������������������������������������������216
Types of IPv6 Packet Transmission �������������������������������������������������������������������������������������������216
IPv6 Broadcast���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������216
IPv6 Multicast ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������217
ICMPv6: Internet Control Message Protocol for IPv6 �����������������������������������������������������������������223
IPv6 Routing ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������232
Network Address Translation ����������������������������������������������������������������������������������������������������235
TCP: The Transmission Control Protocol in IPv6 ������������������������������������������������������������������������237
TCP Packet Header ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������238
UDP: The User Datagram Protocol in IPv6 ���������������������������������������������������������������������������������238
DHCPv6: Dynamic Host Configuration Protocol for IPv6 ������������������������������������������������������������238
Relevant RFCs for DHCPv6 ��������������������������������������������������������������������������������������������������240
The DHCPv6 �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������251
Useful Commands Related to DHCPv6 ���������������������������������������������������������������������������������253
IPv6 Network Configuration ������������������������������������������������������������������������������������������������������255
Manual Network Configuration for IPv6-Only ����������������������������������������������������������������������256
Auto Network Configuration Using Manually Specified (Static) IPv6 Address ���������������������258
Summary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������260
Chapter 7: IPsec and IKEv2 ����������������������������������������������������������������������������������261
Internet Protocol Layer Security (IPsec) ������������������������������������������������������������������������������������262
Relevant Standards for IPsec ����������������������������������������������������������������������������������������������������264
Security Association, Security Association Database, and Security Parameter Index ���������270
IPsec Transport Mode and IPsec Tunnel Mode ��������������������������������������������������������������������270
IPsec over IPv6 ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������276
IPsec in Multicast Networks ������������������������������������������������������������������������������������������������277
Using IPsec to Secure L2TP Connections ����������������������������������������������������������������������������277
ix
Table of ConTenTs
Internet Key Exchange (IKE) ������������������������������������������������������������������������������������������������������277
Internet Key Exchange Version 2 (IKEv2) �����������������������������������������������������������������������������280
Kerberized Internet Negotiation of Keys: KINK ��������������������������������������������������������������������282
Summary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������282
Chapter 8: Transition Mechanisms �����������������������������������������������������������������������285
Relevant Standards for Transition Mechanisms ������������������������������������������������������������������������286
Transition Mechanisms �������������������������������������������������������������������������������������������������������������289
Co-existence (Dual Stack and Dual-Stack Lite) �������������������������������������������������������������������290
Tunneling �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������291
Translation ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������292
Proxies (Application Layer Gateways) ���������������������������������������������������������������������������������294
Dual Stack ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������296
Tunneling�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������301
6i n4 Tunneling ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������304
6o ver4 Tunneling �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������307
6t o4 Tunneling ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������307
Teredo ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������309
6 rd: IPv6 Rapid Deployment ������������������������������������������������������������������������������������������������311
Intra-site Automatic Tunnel Addressing Protocol (ISATAP) ���������������������������������������������������311
Softwires (Includes Dual-Stack Lite, MAP-E, MAP-T, and 4in6) ������������������������������������������������312
Relevant Standards for Softwires ���������������������������������������������������������������������������������������������314
Dual-Stack Lite ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������316
PET (Prefixing, Encapsulation, and Translation) �������������������������������������������������������������������318
Translation ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������319
NAT64/DNS64 ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������320
IVI �����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������321
Preferred Network Implementation Going Forward: IPv6-Only �������������������������������������������������322
Supporting IPv6 for Developers at Sixscape �����������������������������������������������������������������������������324
Summary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������325
x